Astrónomos buscan hacer un video de un agujero negro en 3D con observaciones reales

En 2019, la colaboración Event Horizon Telescope (EHT) publicó la primera imagen de un agujero negro. El agujero negro de la foto se llama M87* y se encuentra en una galaxia elíptica también llamada M87. Posteriormente, en 2022, el EHT publicó una segunda imagen, esta vez del agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea, Sagitario A* (Sgr A*). Ambas imágenes marcaron hitos importantes en la astronomía y la física, ya que confirmaron las predicciones de la Relatividad General.

Desde entonces, el EHT ha ampliado su red de telescopios, mejorando la cobertura, la resolución angular y la sensibilidad, además de añadir observaciones en otras longitudes de onda. Estos avances permiten observar la dinámica del entorno alrededor del agujero negro. Esto permite observar cómo cambia el entorno con el tiempo. Actualmente, se han recopilado más datos y se están realizando nuevos análisis, cuyos resultados se esperan en los próximos años.

Entre estos nuevos hallazgos se encuentra el proyecto TomoGrav, cuyo objetivo es construir una "película" tridimensional de un agujero negro a partir de observaciones reales. La idea es combinar datos de EHT con métodos de inteligencia artificial capaces de inferir la estructura tridimensional y la evolución temporal del plasma alrededor del horizonte de eventos. El proyecto TomoGrav busca producir la primera visualización 3D dinámica de un agujero negro.

Observaciones

Desde principios del siglo XXI, la colaboración EHT se ha establecido para capturar la primera imagen de un agujero negro. El mayor logro de la colaboración se produjo en 2019, cuando se publicó la primera imagen directa de un agujero negro supermasivo, M87*. El EHT utiliza una técnica llamada interferometría de línea de base muy larga (VLBI), que combina datos de radiotelescopios distribuidos globalmente. En ese momento, se utilizaron aproximadamente ocho telescopios en las observaciones.

En 2022, el EHT publicó una imagen de Sgr A*, el agujero negro supermasivo con 4 millones de masas solares en el centro de la Vía Láctea. A pesar de estar más cerca, Sgr A* presentó una mayor complejidad observacional debido a su menor masa, lo que provocó una mayor variabilidad en el disco de acreción durante las observaciones. Por ello, la imagen de Sgr A* tardó más en procesarse y requirió un manejo de datos más complejo.

Proyecto TomoGrav

Tras las dos fotos, el EHT ya ha publicado otros resultados, como el mapa del campo magnético de M87* y un vídeo 2D de las imágenes. Con esto, los astrónomos crearon el proyecto TomoGrav, cuyo objetivo es reconstruir la estructura tridimensional y la evolución temporal del plasma alrededor de los agujeros negros a partir de estos datos. TomoGrav busca generar películas 3D que describan la dinámica alrededor del agujero negro.

Este video tridimensional es importante porque nos permite extraer información física, como el espín de los agujeros negros y detalles del campo magnético. Obtener el espín del agujero negro es importante porque controla algunos procesos, como la eficiencia de la extracción de energía, y está vinculado a la formación de chorros relativistas. Al cuantificar el espín y mapear la dinámica del plasma, TomoGrav nos ayuda a comprender mejor el funcionamiento de estos objetos.

¿Por qué 3D?

La construcción de videos 3D de agujeros negros, basados en observaciones reales, permite un mapeo preciso del entorno que los rodea. Estas reconstrucciones permitirán mediciones detalladas de la geometría del espacio-tiempo alrededor del horizonte de eventos. Lo más sorprendente es el estudio del anillo de fotones, que permite probar rigurosamente la Relatividad General en un entorno con un intenso campo gravitacional, es decir, una curvatura extrema del espacio-tiempo.

Además, los videos en 3D ayudarán a comprender los procesos físicos que dependen de las tres dimensiones. Cabe destacar que algunos procesos estudiados en dos dimensiones son diferentes en tres dimensiones. Esto cobra aún mayor importancia en el estudio de regiones cercanas al agujero negro que requieren hasta cuatro dimensiones. De esta manera, los videos en 3D permitirán estudiar la totalidad del disco de acreción.

Técnicas de IA

Una de las ideas detrás del proyecto TomoGrav es utilizar técnicas de inteligencia artificial para reconstruir estructuras tridimensionales a partir de datos bidimensionales. La idea es un modelo que aprende relaciones espaciales y físicas a partir de datos 2D. De esta manera, el modelo aprende a predecir dimensiones no observadas, manteniendo la consistencia física del sistema.

En el caso de TomoGrav, la idea es utilizar estas técnicas para reconstrucciones 3D, pero utilizando datos observacionales reales tanto para el aprendizaje del modelo como para la fase de validación. Las observaciones reales se utilizan para comprobar si la estructura inferida por la IA reproduce correctamente las firmas observables. Esta comparación entre las predicciones de la reconstrucción 3D y los datos reales nos permite evaluar la precisión de la predicción de la IA.

Referencia de la noticia

World-leading scientists to join forces to create the first ever 3D black hole movies