Polémica observación de iones pesados en un chorro relativista

Dibujo20131113 Residuals continuum modelling X-ray spectra - Baryons relativistic jets stellar-mass black-hole candidate - nature com

Los agujeros negros con disco de acreción emiten chorros relativistas, tanto en sistemas binarios de masa estelar como en el centro de las galaxias. Sabemos que estos chorros contienen electrones ultrarrelativistas, pero como deberían ser neutros además tienen que emitir partículas de carga positiva; podrían ser positrones (inobservables desde la Tierra) o núcleos atómicos pesados (materia bariónica). Hasta ahora no se han observado estos iones pesados en los chorros.

María Díaz Trigo (Agencia Europea del Espacio, ESA) y varios colegas publican en Nature lo que podría ser la primera observación de materia bariónica en el chorro relativista de un agujero negro de masa estelar, en concreto en el sistema binario llamado 4U 1630-47, gracias al telescopio espacial XMM-Newton de la ESA (observación difícil que ha sido confirmada por el ATCA, Australia Telescope Compact Array). La línea de emisión más fuerte se encuentra a 7,28 keV, siendo muy delgada (su anchura es de 0,17 ± 0,05 keV); los autores afirman que lo más plausible es que esté asociada a hierro (Fe) altamente ionizado en un chorro relativista que se mueve a una velocidad mayor de 0,3 c (un tercio de la velocidad de la luz) con una inclinación relativa en dirección a la Tierra menor de 73°, es decir, que esta línea de emisión está desplazada al azul. También se observa una línea de emisión a 8,14 keV que parece asociada a níquel (Ni) altamente ionizado, pero que debería ser una línea desplazada al rojo. También se ha observado una señal que podría ser otra línea del hierro desplazada al rojo.

Por supuesto, esta observación y su interpretación son muy especulativas y generarán bastante polémica. Muchos expertos dudarán de este resultado hasta que no se repita de forma independiente dicha observación en otras fuentes binarias de rayos X. Todo el mundo espera que haya bariones en los chorros y quizás los autores del estudio han interpretado los resultados con un fuerte sesgo cognitivo. Sólo el tiempo dirá si se confirma esta observación o se necesita una interpretación alternativa.

El polémico artícuo técnico es María Díaz Trigo et al., “Baryons in the relativistic jets of the stellar-mass black-hole candidate 4U 1630-47,” Nature, AOP 13 Nov 2013. Por cierto, en español también puedes leer “Los chorros de los agujeros negros se mueven a dos tercios la velocidad de la luz,” Europa Press, 13 Nov 2013.

Qué pasa con el experimento del gato de Schrödinger dentro de un agujero negro

Dibujo20131021 schrodinger cat box - astronaut - black hole Según la teoría de la gravedad de Einstein en el interior de un agujero negro sólo hay espaciotiempo curvado y una singularidad puntual (un punto con curvatura infinito). Nada más y nada menos. Imagina que una caja con el experimento cuántico del gato de Schrödinger cae dentro de un agujero negro acompañada de un observador. ¿Puede colapsar el estado del gato a vivo o a muerto por el efecto no local de una medida realizada por otro observador fuera del horizonte de sucesos? Sí, según el análisis de este experimento mental publicado en Physical Review Letters por Joseph Polchinski y Donald Marolf, ambos de la Universidad de Santa Barbara, California. Como esto parece imposible, concluyen que esta inconsistencia es una prueba de que el horizonte de sucesos del agujero tiene algún tipo de estructura, un “firewall” que impide que un observador pueda entrar dentro del agujero negro. Por cierto, el término “firewall” es traducido por “cortafuegos” pero para Polchinski y sus colegas significa “wall of fire”, es decir, “muro de fuego”, porque se supone que está acompañado de radiación de muy alta energía que es la que destruye al incauto observador que desea entrar en el agujero negro. Nos lo cuenta Andreas Karch, “What’s Inside a Black Hole’s Horizon?,” Physics 6: 115, 21 Oct 2013. El artículo técnico es Donald Marolf, Joseph Polchinski, “Gauge-Gravity Duality and the Black Hole Interior,” Phys. Rev. Lett. 111: 171301, 21 Oct 2013arXiv:1307.4706 [hep-th].

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Por qué Sgr A* acreta materia de forma tan ineficiente

Dibujo20130829 Zoom into the galactic center - supermassive black hole Sgr A emitting a broad spectrum of light from radio up to x-rays

Sgr A*, el agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea, ha sido observado por el telescopio espacial Chandra de rayos X. Hay una fuente puntual rodeada por una región de 2″ (segundos de arco) con estrellas muy débiles y nubes de gas. El 99% de este gas no alcanza el horizonte de sucesos de Sgr A*, porque el flujo de entrada es casi equilibrado por un flujo de salida, impidiendo que la materia capturada en esta región llegue a acercarse al horizonte. Por ello el brillo de Sgr A* en rayos X es un millón de veces menor del esperado (pues su tasa de acreción debería ser de 10-5 masas solares por año). Que la materia cercana a Sgr A* sea eyectada es una predicción de los modelos teóricos RIAF (por Radiatively Inefficient Accretion Flows) para agujeros negros que acretan materia de forma muy ineficiente. En los próximos meses una gran nube de gas colisionará con Sgr A* y debería provocar un incremento de su luminosidad en un factor de un millón confirmando estos modelos teóricos. Habrá que estar al tanto. Nos lo cuenta Jeremy D. Schnittman, “The Curious Behavior of the Milky Way’s Central Black Hole,” Science 341: 964-965, 30 Aug 2013, que se hace eco de Q. D. Wang et al., “Dissecting X-ray–Emitting Gas Around the Center of Our Galaxy,” Science 341: 981-983, 30 Aug 2013.

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Diferentes teorías sobre qué son el espacio y el tiempo

Dibujo20130828 Quantum_gravity_head_FLAT - nature com

Zeeya Merali ha entrevistado al físico Mark Van Raamsdonk (Univ. Columbia Británica en Vancouver, Canadá), uno de los padres de la idea ER=EPR, sobre qué es el espaciotiempo. Su respuesta es sencilla: “pura información codificada en un holograma” cual una película de ciencia ficción como Matrix. El “principio holográfico” puede parecer extraño, pero según Van Raamsdonk es fundamental para entender la relación entre la relatividad general, que explica cómo la gravedad es resultado de la curvatura del espaciotiempo, y la mecánica cuántica, que gobierna el mundo subatómico. Recomiendo la lectura de Zeeya Merali, “Theoretical physics: The origins of space and time,” Nature 500: 516–519, 29 Aug 2013. Me permito un traducción libre en forma de resumen para quienes no tengan acceso a este interesante artículo.

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Posible observación de una kilonova gracias al telescopio espacial Hubble

Dibujo20130814 HST imaging of the location of GRB 130603B Una kilonova es el resultado de la fusión de dos estrellas de neutrones o de una estrella de neutrones y un agujero negro; se trata de un evento astrofísico similar a una supernova débil de vida muy corta. El telescopio espacial Hubble de la NASA ha observado una posible kilonova en el brote de rayos gamma GRB 130603B tanto en el óptico como en el infrarrojo. La primera observación de un fenómeno predicho por la teoría siempre está acompañada de dudas, por lo que habrá que esperar a futuras observaciones para confirmar esta kilonova (por cierto, en algunos sitios la llaman macronova o supernova de proceso-r, donde “r” proviene de rápido). Lo más interesante de las kilonovas es que producen una señal de ondas gravitatorias que podría ser observada por la nueva generación de detectores por interferometría. El artículo técnico es N. R. Tanvir, A. J. Levan, A. S. Fruchter, J. Hjorth, R. A. Hounsell, K. Wiersema & R. L. Tunnicliffe, “A ‘kilonova’ associated with the short-duration γ-ray burst GRB 130603B,” Nature, AOP 03 August 2013.

Qué pasa al entrar en un agujero negro

Dibujo20121224 falling into a black hole

El principio de equivalencia de la teoría general de la relatividad de Einstein implica que no pasa nada al cruzar el horizonte de sucesos de un agujero negro, un observador no debe notar nada especial; de hecho, en un agujero negro supermasivo, la curvatura del espaciotiempo en el horizonte de sucesos es muchos órdenes de magnitud más pequeña que en la superficie de la Tierra. Pero este resultado es clásico y la aplicación de la física cuántica a los agujeros negros indica que su horizonte de sucesos debe emitir radiación de Hawking. ¿Notaría de alguna forma el observador que cae la existencia de esta radiación si tuviera un instrumento adecuado? La pregunta puede parecer una tontería, pero su respuesta es más complicada de lo que parece a primera vista, pues en rigor requiere una teoría cuántica de la gravedad y todavía no tenemos ninguna. Por supuesto, podemos aplicar las reglas de la mecánica cuántica a la teoría de la gravedad de Einstein y obtener resultados correctos en el límite de campos débiles, es decir, de agujeros negros con gran masa (como ya hizo Hawking); en dicho caso, el observador no notaría nada (la radiación de Hawking no puede ser detectada en agujeros negros de masa estelar y menos aún en agujeros negros supermasivos).

Sin embargo, el problema sigue estando ahí en el caso de campos fuertes (agujeros negros de masa muy pequeña, llamados microagujeros negros); en dicho caso tenemos que usar una teoría cuántica de la gravedad y la respuesta nos lleva a la frontera entre lo que sabemos y lo que nos gustaría saber. Nos lo contó en Madrid Kyriakos Papadodimas (University of Groningen), “Falling into a Black Hole and the Information Paradox in AdS/CFT,” IFT Xmas Workshop 2012, December 20 [slides]; la charla está basada en su artículo Kyriakos Papadodimas, Suvrat Raju, “An Infalling Observer in AdS/CFT,” arXiv:1211.6767, 28 Nov 2012.

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ER=EPR, la nueva conjetura de Maldacena y Susskind

Dibujo20130726 Proposed relation between spacetime structure and entanglement structure

La ecuación ER=EPR hace referencia a dos ideas que Albert Einstein publicó en 1935, los puentes de Einstein−Rosen y el entrelazamiento cuántico de Einstein−Podolsky−Rosen. El artículo EPR fue una “bella durmiente de la ciencia” y ER va camino de serlo. La conjetura ER=EPR afirma que hay un puente de Einstein-Rosen (un tipo de agujero de gusano inestable entre dos agujeros negros) asociado a cada pareja de estados cuánticos entrelazados (estados EPR). Esta idea no es nueva, pero ha sido rescatada por el famoso físico argentino Juan Maldacena, autor del artículo más citado de la historia en SPIRES-HEP (el de la correspondencia AdS/CFT o gravedad/gauge). Maldacena y Susskind han aplicado esta idea para resolver el problema de los “firewalls” de Polchinski et al. (AMPS) en el horizonte de sucesos. Si eres físico y no has leído aún el artículo de Juan Maldacena, Leonard Susskind, “Cool horizons for entangled black holes,” arXiv:1306.0533, Subm. 3 Jun 2013, ¿a qué estas esperando? Si es muy técnico para tí, te recomiendo leer John Preskill, “Entanglement = Wormholes,” Quantum Frontiers, Jun 7, 2013. Otra visión diferente la ofrece Lubos Motl, “Maldacena, Susskind: any entanglement is a wormhole of a sort,” The Reference Frame, June 8, 2013, y “Papers on the ER-EPR correspondence,” TRF, July 9, 2013. Algo mucho más ligero en Jacob Aron, “Wormhole entanglement solves black hole paradox,” NewScientist, 20 Jun 2013.

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M62-VLA1, un nuevo agujero negro de masa estelar similar a Cygnus X-1

Dibujo20130708 m62 images VLA -left- Chandra -right- with M62-VLA1

Cygnus X-1, la más famosa fuente binaria de rayos X, está formada por un objeto compacto (candidato a agujero negro de masa estelar, entre 7 y 15 veces la masa del Sol) y una estrella supergigante a la que roba materia (el agujero negro no emite los rayos X sino la materia que cae). Se ha descubierto una nueva fuente binaria de rayos X en el cúmulo globular M62 (NGC 6266). El candidato a agujero negro, M62-VLA1, tiene unas 10 masas solares y le roba materia a una estrella gigante roja. Las características más claras de un sistema binario con un agujero negro son tener una luminosidad de rayos X por encima del límite de Eddington para una estrella de neutrones y presentar grandes variaciones de luminosidad en escalas de tiempo cortas. M62-VLA1 cumple ambos requisitos, siendo su emisión óptica, en ondas de radio y en rayos X muy similar a las de Cygnus X-1. Stephen Hawking perdió su apuesta de 1974 contra Kip Thorne y tuvo que regalarle en 1990 una suscripción anual a Penthouse porque los indicios a favor de que Cygnus X-1 contenía un agujero negro eran aplastantes. Para M62-VLA1 los indicios también lo son de ahí que mi titular sea “un nuevo agujero negro” en lugar de “un nuevo candidato a agujero negro.” El artículo técnico es Laura Chomiuk et al., “A Radio-Selected Black Hole X-ray Binary Candidate in the Milky Way Globular Cluster M62,” arXiv:1306.6624, 27 Jun 2013.

Según Polchinski, nadie evitará que el astronauta acabe frito

Dibujo20130405 Andy Potts - Nature - Will astronaut into black hole be crushed or burned

En marzo de 2012, Joseph Polchinski (famoso teórico de cuerdas del KITP, Kavli Institute for Theoretical Physics, Santa Barbara, California) se preguntó que pasaría cuando un astronauta se sumergiera dentro de un agujero negro. Obviamente, moriría, ¿pero cómo? El principio de equivalencia de la relatividad general de Einstein implica que no notaría nada al atravesar el horizonte de sucesos y que su muerte sería debida a su estiramiento en forma de espagueti (en un agujero negro supermasivo podría pasar varios días dentro del horizonte de sucesos antes de notar nada en absoluto). Pero Polchinski publicó en julio de 2012, junto a dos estudiantes Ahmed Almheiri y James Sully, y su colega Donald Marolf (UCSB, Universidad de California, Santa Barbara) que, bajo ciertas circunstancias, el astronauta acabaría frito en el horizonte de sucesos, que se comportaría como un “muro de fuego” (firewall). Nos lo cuenta Zeeya Merali, “Fire in the hole! Will an astronaut who falls into a black hole be crushed or burned to a crisp?,” Nature 496: 20-23, 4 Apr 2013.

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Qué ha pasado con la nube de gas G2 que iba a caer en Sagitario A* este verano

Dibujo20130328 cloud g2 - galactic center stars - sgr a-star

Una nube de gas, llamada G2, de tres masas terrestres, se dirige hacia el agujero negro supermasivo del centro de nuestra galaxia, Sagitario A*. Cuando se descubrió en 2011 se estimó que en junio de 2013 alcanzaría el punto más cercano a Sgr A* de su órbita (a unas siete veces la distancia entre el planeta Neptuno y el Sol); a finales de 2012 se retrasó hasta septiembre de 2013. La última estimación, realizada por el equipo de Andrea Ghez (UCLA, Univ. California Los Angeles) este mes, retrasa el encuentro hasta marzo de 2014 (el equipo de Ghez estudia las estrellas que rodean a Sgr A* desde hace 20 años). Hay que destacar que entre octubre y febrero la observación por telescopios terrestres de Sgr A* no es posible, por lo que conviene que se retrase hasta marzo; aún así hay gran incertidumbre sobre cuándo ocurrirá. Las observaciones de G2 son muy difíciles y sin un modelo adecuado no es fácil predecir su trayectoria. Nos lo cuenta Ron Cowen, “Decade of the Monster. An infalling gas cloud and other new probes herald a revealing period for the Milky Way’s supermassive black hole,” Science 339: 1514-1516, 29 Mar 2013.

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