¿Cuál es la evidencia de un agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea?

Los agujeros negros no se pueden ver porque no emiten luz visible ni radiación electromagnética.

Esto no es absolutamente correcto en el sentido de que la luz visible se emite durante la captura de materia cargada de la radiación mientras cae en el fuerte potencial gravitatorio del agujero negro, pero no es lo suficientemente fuerte como para caracterizar el descubrimiento de un agujero negro. . Los rayos X también se emiten si la aceleración de las partículas cargadas es alta, como se espera de un sumidero atractivo de un agujero negro.

La sospecha de la existencia de un agujero negro proviene de irregularidades cinemáticas en las órbitas. Por ejemplo:

Los estudios Doppler de esta supergigante azul en Cygnus indican un período de 5,6 días en órbita alrededor de un compañero invisible.

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1. En 1972 se descubrió una fuente de rayos X en la constelación Cygnus (Cygnus X-1). Las fuentes de rayos X son candidatas para los agujeros negros porque la materia que fluye hacia los agujeros negros se ionizará y acelerará enormemente, produciendo rayos X.

2. Se encontró una estrella supergigante azul, de unas 25 veces la masa del sol, que aparentemente orbita alrededor de la fuente de rayos X. Entonces, hay algo masivo pero no luminoso (estrella de neutrones o agujero negro).

3. Los estudios Doppler de la supergigante azul indican un período de revolución de 5,6 días alrededor del objeto oscuro. El uso del período más las mediciones espectrales de la velocidad orbital del compañero visible conduce a una masa calculada del sistema de aproximadamente 35 masas solares. La masa calculada del objeto oscuro es de 8 a 10 masas solares; demasiado masivo para ser una estrella de neutrones que tiene un límite de aproximadamente 3 masas solares, por lo tanto, un agujero negro.

Por supuesto, esto no es una prueba de un agujero negro, pero convence a la mayoría de los astrónomos.

Otra evidencia que fortalece el caso de que el objeto invisible es un agujero negro es la emisión de rayos X desde su ubicación, una indicación de temperaturas en millones de Kelvins. Esta fuente de rayos X exhibe variaciones rápidas, con escalas de tiempo del orden de un milisegundo. Esto sugiere una fuente no más grande que una milésima de segundo o 300 km, por lo que es muy compacta. Las únicas posibilidades que conocemos que colocarían tanta materia en un volumen tan pequeño son los agujeros negros y las estrellas de neutrones, y el consenso es que las estrellas de neutrones no pueden tener más masa que unas 3 masas solares.

De las preguntas frecuentes, ¿Qué evidencia tenemos de la existencia de agujeros negros? , primero en una búsqueda de Google:

Los astrónomos han encontrado evidencia convincente de un agujero negro supermasivo en el centro de nuestra propia galaxia, la Vía Láctea, la galaxia NGC 4258, la galaxia elíptica gigante M87 y varias otras. Los científicos verificaron la existencia de los agujeros negros estudiando la velocidad de las nubes de gas que orbitan esas regiones. En 1994, los datos del telescopio espacial Hubble midieron la masa de un objeto invisible en el centro de M87. Según el movimiento del material que gira alrededor del centro, se estima que el objeto tiene una masa de aproximadamente 3 mil millones de veces la de nuestro Sol y parece estar concentrado en un espacio más pequeño que nuestro sistema solar.

Nuevamente, es solo un agujero negro que se ajusta a estos datos en nuestro modelo de relatividad general del universo.

Entonces, la evidencia de nuestra galaxia se basa en el comportamiento cinemático de las estrellas y los sistemas estelares en el centro de nuestra galaxia.

Si el agujero negro estuviera situado en el medio de la nada sin nada que lo rodeara, sería muy difícil observarlo. Cualquier agujero negro con una masa considerable emite una cantidad extremadamente pequeña de radiación de Hawking y eso es todo. Sin embargo, el agujero negro en el centro de nuestra galaxia está rodeado de materia. Así podemos observarlo por su atracción gravitacional sobre esta materia.

Primero, miras las estrellas circundantes y descubres que están orbitando algo.

Los períodos son pequeños con S2 completando la órbita en solo 15,2 años (las observaciones durante 15 años se pueden ver en este clip , gracias a luk32 por el enlace a la imagen) Tales órbitas de período corto significan la presencia del objeto supermasivo:

Pero también hay materia en las inmediaciones del agujero negro. Bajo su enorme atracción gravitacional, la mayor parte de la materia se dispersa, mientras que una pequeña parte se impulsa hacia la inspiración hasta que cae en el agujero negro en el proceso conocido como acreción. La materia que cae se irradia principalmente en el espectro de radio, lo que hace que pierda energía y siga cayendo. Podemos ver esta radiación de la materia acumulada.

Sin embargo, lo que no vemos es la radiación del objeto sobre el que cae esta materia. Debido a que todas las cosas caen, se comprimen en la superficie y se recalientan, cualquier objeto común sería muy brillante. En cambio, es muy tenue, como si todo este asunto simplemente desapareciera en algún momento. Esto es consistente con la existencia del horizonte del agujero negro.

Un principio similar funciona para otros candidatos a agujeros negros. Podemos observar su atracción gravitacional sobre la materia circundante y la radiación del disco de acreción en su vecindad.

Sagitario A* (el agujero negro en el centro de nuestra galaxia) tiene algunas de las mejores pruebas observacionales de un agujero negro que jamás haya visto. Aquí, mira las animaciones de UCLAelaborado a partir de nuestras observaciones. Esto es de datos tomados en un lapso de 20 años. Puedes ver los puntos brillantes (estrellas) orbitando alrededor de un parche de nada. Los que se acercan mucho giran a una velocidad increíble, pero disminuyen la velocidad rápidamente a medida que se alejan. Obviamente, lo que sea que esté en el centro tiene una cantidad respetable de masa. Pero observe también que las estrellas siempre parecen moverse alrededor de algo que está en el punto muerto (y sus órbitas son elipses, lo que demuestra que no estamos moviendo la cámara simplemente para mantenerla en el centro). Considere que la masa de esas estrellas debe ser increíblemente pequeña al lado de la masa del cuerpo central, de lo contrario, sería arrojada al espacio en la otra dirección cuando una estrella se acerca mucho.

Entonces, aquí puedes ver estrellas masivas orbitando algo que no emite luz y debe ser mucho más masiva que cualquiera de las estrellas a su alrededor. Bueno, eso parece encajar en el perfil de un agujero negro. Además, la masa que calculamos que debe tener es lo suficientemente alta como para que cualquier cosa tan masiva y compacta tenga que colapsar en un agujero negro.

PD Si no miraste los videos, hazlo. Son grandiosos; Los amo.

Respuesta corta: hay evidencia convincente de la existencia de un objeto compacto oscuro supermasivo en el centro de la Vía Láctea, sin embargo, la conclusión de que este objeto compacto es un agujero negro (y por lo tanto tiene un horizonte) está lejos de establecerse. Además, la afirmación "existen agujeros negros en nuestro Universo" puede ser fundamentalmente infalsable, pero las alternativas a los agujeros negros pueden descartarse o confirmarse mediante experimentos.

Respuesta más larga. El centro de nuestra galaxia alberga un candidato a agujero negro supermasivo que es el mejor limitado por las observaciones entre otros supuestos agujeros negros. Su masa y distancia se han determinado con precisión a partir de las órbitas de las estrellas cercanas y sus estudios de movimiento propios, y se ha establecido que la radio de alta frecuencia y la emisión de rayos X y el infrarrojo cercano altamente variable de este objeto se originan dentro de unos pocos Schwarzschild. radios de este objeto muy compacto.

Otras respuestas enumeran esta evidencia con más detalles, pero permítanme enfatizar lo siguiente: toda esta es evidencia de un objeto compacto oscuro masivo , no necesariamente del agujero negro.

Si asumimos la validez de la relatividad general clásica, solo hay una interpretación posible: hay un agujero negro en el centro de nuestra galaxia. Sin embargo, siempre existe la posibilidad de que haya alguna nueva física que se vuelva relevante en situaciones en las que se formaría un agujero negro en GR ordinario, física que posiblemente evitaría la formación del horizonte, la característica definitoria de un agujero negro.

Entonces, ¿cuál podría ser una alternativa al agujero negro? El nombre general es objeto compacto exótico (ECO). Se puede ver como dos regiones pegadas: el exterior de la solución del agujero negro a partir de cierta distancia$r_g\cdot\epsilon$(dónde$r_g$es el radio de Schwarzschild para una masa dada de un ECO ) del supuesto horizonte y el interior compuesto de algunas cosas exóticas de una manera que no conduce a la formación de los horizontes. Si el parámetro$\epsilon$es lo suficientemente pequeño, entonces la mayoría de las características que uno podría esperar de los agujeros negros: fuerte lente gravitacional, comportamiento relativista general de las órbitas cerca del ECO, incluida la esfera de fotones , la ergosfera , la formación de ondas gravitacionales por fusiones del ECO en colisión, etc. podrían estar presentes en este tipo de objetos.

En GR clásico es imposible que cualquier señal (EM o GW) escape de la superficie del horizonte. Entonces, para cualquier efecto dado de agujero negro, sería posible elegir lo suficientemente pequeño$\epsilon$por lo que sería imposible distinguir entre un verdadero agujero negro y un hipotético ECO que no tiene horizonte, por lo que la existencia de agujeros negros es infalsable.

Existen varios modelos teóricos que conducen a la formación de ECO en lugar de agujeros negros. La mayoría de ellos se basan en suposiciones algo especulativas sobre el comportamiento de un modelo particular de gravedad cuántica (o propiedades específicas del contenido de materia) en el régimen fuerte.

Se puede encontrar una descripción general de varios tipos de alternativas de agujeros negros en un artículo reciente:

• Cardoso, V. y Pani, P. (2017). Pruebas de la existencia de agujeros negros a través de ecos de ondas gravitacionales . Nature Astronomy, 1(9), 586, doi , arXiv , versión extendida .

Este documento es bastante accesible y tiene la siguiente figura, que brinda una descripción general de varios tipos de ECO:

Ejemplo:$2-2$hole , aquí hay una propuesta para un tipo específico de ECO (elegido principalmente porque no lo había visto antes):

• Holdom, B. y Ren, J. (2017). No es exactamente un agujero negro . Revisión física D, 95(8), 084034, doi , arXiv .

Se basa en una analogía conjeturada entre la cromodinámica cuántica y la gravedad cuántica cuadrática: por encima de cierta escala$\Lambda_{QQG}$la gravedad cuántica exhibe un giro-2 fantasmas. Entonces, un régimen de gravedad fuerte sería bastante diferente del régimen infrarrojo, que es la gravedad cuadrática clásica. A$2-2$El agujero es una solución que es un exterior de la solución de Schwarzschild hasta aproximadamente una longitud adecuada de Planck del posible horizonte, mientras que en el interior hay una fase de fuerte gravedad cuántica sin horizonte:

Pruebas experimentales Si bien hay muchos modelos para varios tipos de ECO, pueden estar limitados por experimentos:

• Los ECO que giran rápidamente a menudo exhiben inestabilidad y pierden momento angular. La observación de un gran momento angular de los candidatos a agujeros negros descartaría tales modelos.

• La fusión de ECO tendría ecos en la firma de ondas gravitacionales. El análisis de datos de LIGO y la futura generación de detectores GW podría respaldar o refutar algunos modelos ECO. Véase, por ejemplo, este artículo:

  Abedi, J., Dykaar, H. y Afshordi, N. (2017). Ecos del abismo: evidencia tentativa de una estructura a escala de Planck en los horizontes de los agujeros negros. Revisión física D, 96(8), 082004, doi .

• El telescopio Event Horizon propuesto podría recopilar datos sobre ECO.

Y así, esta industria artesanal de alternativas de agujeros negros está impulsada principalmente por la esperanza (por pequeña que sea) de que las observaciones de la estructura del horizonte cercano nos brinden una ventana a la gravedad cuántica.

En primer lugar, los discos de acreción de los agujeros negros emiten radiación. Esa es una forma que usan los astrónomos para detectar agujeros negros, es decir, observando la radiación entrante. Otra forma es comparar el movimiento de los objetos con el movimiento esperado de los objetos cerca de los agujeros negros. Esto es relevante para su pregunta: muchos astrónomos han notado que el movimiento de las estrellas cerca del centro de nuestra galaxia coincide con el movimiento esperado de las estrellas en presencia de agujeros negros. Esta es evidencia de la presencia de un agujero negro masivo en el centro de la Vía Láctea.

Los agujeros negros son como tus vecinos amantes del Death Metal que nunca salen de su apartamento: no puedes verlos, pero sabes con certeza que están allí.

Cuando afirma que "los agujeros negros no se pueden ver porque no emiten ninguna radiación electromagnética", tiene razón nominalmente: la cantidad de radiación de Hawking que emiten los grandes es tan pequeña que en realidad forman una sombra frente al fondo de microondas.

Pero los agujeros negros interactúan gravitacionalmente con su entorno de manera espectacular. La aceleración de otro mundo de la materia que orbita y cae en el agujero negro puede resultar en emisiones de radiación bastante espectaculares. Este artículo de 2015 informa sobre las emisiones de rayos X observadas por el observatorio Chandra en la radiogalaxia Pictor A. La hipótesis es que los rayos X son radiación de sincrotrón que se origina en un chorro de partículas de alta energía que a su vez se origina cerca del agujero negro. en el centro de la galaxia.

Para obtener alguna perspectiva sobre la escala de los eventos, examinemos algunos números.

• El poder de la radiación observada se estima en alrededor de 2*10 ³⁵ Watt. Eso es quinientos millones de veces la producción total de energía del sol .
• La radiación observable es solo una pequeña fracción de la potencia del chorro, que se estima que es 100 o 1000 veces mayor. Eso haría que la producción de energía de los rayos fuera igual a la producción de energía de una pequeña galaxia de estrellas.
• El haz tiene un diámetro de varios kiloparsecs. Eso lo hace más ancho que la altura de nuestra galaxia y es una fracción sustancial del diámetro de nuestra galaxia.

Ningún mecanismo conocido fuera de los agujeros negros podría afectar algo en esa escala. Sabes que tus vecinos están allí porque producen más ruido que el resto de tu bloque de apartamentos.