"Fotografiando" agujeros negros

[Guillermo Luijk]

Los agujeros negros son de esas maravillas del universo que aparecieron en nuestras ecuaciones y simulaciones antes que en nuestros telescopios. La edad dorada del desarrollo de la teoría de los agujeros negros fueron los años 70 y 80 del siglo pasado. Esta imagen representa tres simulaciones muy parecidas (lo cual es buena señal), del aspecto que podría tener un agujero negro si tuviésemos la suerte de contemplarlo desde cerca.

Luminet realizó la primera simulación de un agujero negro con ordenadores espartanos en 1979, pero mostrando todas sus características más importantes:

• Una negrura central donde la enorme cantidad de masa acumulada en muy poco espacio genera una fuerza gravitatoria tal que nada puede escapar de ella, ni siquiera la luz. A su frontera límite se la denomina horizonte de sucesos.
• Alrededor del "agujero" tenemos el disco de acreción, un anillo plano como los de Saturno compuesto por gas, polvo y plasma girando a velocidades cercanas a la de la luz. La parte frontal de este disco la tenemos a la vista, pero su parte trasera, que debería quedar oculta por el propio agujero, se pliega por efecto de la distorsión espacio temporal, haciéndose visible al asomar por encima y por debajo del agujero.
• Los colores y densidades luminosas no son decorativos. Como consecuencia del refuerzo Doppler, de la materia que se acerca a gran velocidad al observador por el lado izquierdo percibimos una radiación más potente y de mayor frecuencia que la que se aleja por el lado derecho, generando una asimetría lateral.

En segundo lugar tenemos la simulación de la película Interestellar, donde se usaron las ecuaciones matemáticas relativistas para modelar Gargantúa, el agujero negro protagonista de la historia, de forma lo más científica posible. Se concedió alguna licencia visual como forzar la simetría extremo a extremo.

Finalmente con un poco de vibe coding y refinamientos he obtenido una versión moderna de la simulación de Luminet hecha íntegramente en C++, usando esta vez Gemini Pro como becario motivado (que en realidad lo ha hecho prácticamente todo, para qué nos vamos a engañar). El trazado de rayos se hace píxel a píxel de la imagen de salida, así que para reducir el aliasing he aplicado sobremuestreo.





Salu2!

[Guillermo Luijk]

En este vídeo aprovecho la rutina para hacer una animación de cómo cambiaría la forma visible del agujero negro si orbitásemos 360º entorno a él.

Por el 𝗿𝗲𝗳𝘂𝗲𝗿𝘇𝗼 𝗗𝗼𝗽𝗽𝗹𝗲𝗿 las partes del anillo que se aproximan a nosotros en su giro emiten radiación de mayor frecuencia e intensidad, lo cual va cambiando a medida que circundamos el agujero.

La animación se compone de 400 fotogramas pero solo se necesitó calcular 100 de ellos ya que con leves juegos de simetría se pueden obtener los 3/4 faltantes. Esto redujo el tiempo de cálculo a la cuarta parte, lo que a ~80s por fotograma en Full HD de tiempo de procesado se hace notar.

http://guillermoluijk.com/datosimage.../blackhole.mp4

Salu2!

[Spyder]

Hola.

Un trabajo increíble, gracias por poner en perspectiva visual, lo que en la realidad resulta, no se, imposible o improbable de ser observado?

Para el neófito y negado total para las matemáticas solo puede maravillarse ya no solo de calcular las formas sino sus capacidades como el elemento mas destacable del universo conocido y....observable?

Solo de pensar en las fuerzas que intervienen en un objeto como ese, indistinto de sus dimensiones, da verdadero escalofrió. Creo que un ser humano al lado de un monstruo de esa clase es, en proporción menos que un átomo al lado de nuestra escala natural.

Un saludo,

[lhyrae]

Hace unos cuatro años se publicó la primera fotografía real de un agujero negro.
Se debieron reunir muchos teras de datos mediante observaciones con radiotelescopios diseminados por todo el mundo. Fueron varios años de trabajo, tuvieron la complicación de que los datos eran tan pesados que se debió recurrir al transporte en discos duros y no por internet. Finalmente se consiguió un resultado espectacular que aun nos asombra: https://elpais.com/ciencia/2022-05-1...a-galaxia.html

[Guillermo Luijk]

Hace unos cuatro años se publicó la primera fotografía real de un agujero negro.
Se debieron reunir muchos teras de datos mediante observaciones con radiotelescopios diseminados por todo el mundo. Fueron varios años de trabajo, tuvieron la complicación de que los datos eran tan pesados que se debió recurrir al transporte en discos duros y no por internet. Finalmente se consiguió un resultado espectacular que aun nos asombra: https://elpais.com/ciencia/2022-05-1...a-galaxia.html

Sí, precisamente el vídeo es interesante para entender esa fotografía. Casi todas las simulaciones visuales de agujeros negros muestran una vista cercana al disco de acreción, que es la más espectacular (como en Interstellar). El agujero negro de la galaxia M87, fotografiado en 2019 como dices, desafortunadamente lo vemos desde la Tierra con un ángulo cercano a sus "polos". Si tomo un frame de la anterior animación y lo contrastamos:



No hay ninguna garantía de que el agujero negro sea así, y la correspondencia se deba a lo que estoy comentando. No es una foto hecha con un 600mm una noche despejada. Pero hoy por hoy es la teoría más plausible.
Precisamente me he puesto esta semana a hacer simulaciones de agujeros negros tras ver un documental de la fotografía del M87. Se formaron varios equipos para procesar los datos capturados por un array de radiotelescopios, los cuales no podían hablar entre ellos hasta tener la imagen final, y entonces se compararon. Todas coincidieron (correlaron), autovalidándose entre ellas.

Salu2!

[Guillermo Luijk]

Aprovechando las ecuaciones, unos agujeros negros con toque artístico (hacer clic para ver en Full HD):















Salu2!

[PEIPER]

El espacio. No deja de sorprendernos.
Carl Saagan dijo : Se ha dicho que la astronomía es una formadora de humildad y carácter.

[invierno]

Hola, saludos
Felipe

[angelastro]

Gracias por compartir tanto conocimiento.