A diferencia de muchos astrónomos, Erin Kara no creció deslumbrada por las estrellas. "No tengo esa historia de ser esa niña pequeña que miraba las estrellas y quería hacer esto, lo que me daba cierta ansiedad", dijo. "¿Eso me convirtió en un farsante?"

Pero después de descubrir la astrofísica cuando era estudiante, Kara quedó enganchada. Ahora un astrofísico observacional En el Instituto de Tecnología de Massachusetts, visita un territorio alucinante. Como un astronauta en la película. Interestelar, explora las regiones cercanas a gigantescos agujeros negros. Su objetivo es comprender mejor cómo se comportan esos agujeros negros y cómo remodelan continuamente las galaxias en todo el universo.

Llenos de una masa equivalente a millones o miles de millones de soles, los agujeros negros supermasivos acechan en el centro de casi todas las galaxias. Energéticamente, estos agujeros negros son como los corazones oscuros y palpitantes de las galaxias.

“No son sólo ornamentales. No están sentados pasivamente”, dijo Kara. "En realidad, están dictando cómo evoluciona la galaxia y por qué tiene el aspecto que tiene".

Kara intenta comprender el entorno cercano a estos agujeros negros, donde se libera la mayor parte de su energía. Al seguir cuidadosamente el gas y el plasma que giran cerca de un agujero negro (formando lo que se conoce como disco de acreción), puede aproximarse a la masa del agujero negro, por ejemplo. Ese gas y plasma cercanos también pueden ayudar a revelar cómo los agujeros negros crean estructuras cósmicas extremas, como chorros relativistas: haces gigantes de plasma sobrecalentado acelerados hasta casi la velocidad de la luz.

Pero hay un enorme problema que Kara y otros investigadores deben superar: estos agujeros negros objetivo están tan lejos que las técnicas de imágenes convencionales no pueden resolver su entorno inmediato. Para reconstruir el entorno inmediato alrededor de un agujero negro, Kara recurre a la luz de rayos X emitida por el disco de acreción. Ella mide retrasos sutiles en el momento en que esa luz llega a la Tierra. Al hacerlo, puede inferir la estructura del gas y el plasma con una resolución notable. El trabajo de Kara en este método, llamado mapeo de reverberación, ha expuesto el frenesí de alimentación de los agujeros negros con un detalle sin precedentes, con hallazgos que incluyen la primera radiografía “resuena” jamás visto desde un agujero negro destrozando una estrella. Kara recibió el premio 2022 de la Sociedad Astronómica Estadounidense Premio Newton Lacy Pierce, que reconoce los logros destacados en astronomía observacional durante los cinco años anteriores.

Quanta revista Recientemente hablé con Kara sobre su camino hacia la ciencia, los aspectos prácticos del mapeo de reverberación y los agujeros negros que la mantienen despierta por la noche. La entrevista ha sido condensada y editada para mayor claridad.

Pasas mucho tiempo pensando en los agujeros negros, hasta el punto de que incluso tienes simulaciones convertidas en sonidos. Mucha gente piensa que los agujeros negros son “extraños”, “espeluznantes” o “inquietantes”. ¿Compras esa caracterización?

Existe este estereotipo de que los agujeros negros son cosas desagradables a las que todos deberíamos temer, pero lo sorprendente es que los agujeros negros en realidad nos dan vida, si queremos llevarlo a ese nivel de abstracción. La razón por la que todos estamos aquí es que el gas en nuestra galaxia se distribuye de tal manera que se podrían formar estrellas, lo que eventualmente condujo al planeta en el que vivimos. En cierto modo, esto fue dictado por el agujero negro central de nuestra galaxia.

Los agujeros negros no son la desaparición ni el fin de todo. En realidad, son, en cierto modo, un comienzo.

A nivel general, ¿cuáles son las preguntas sobre los agujeros negros que más le interesa abordar?

Si comprendes cómo se comportan los flujos de gas en el espacio-tiempo fuertemente curvado alrededor de un agujero negro, entonces podrás usar esa información para medir las propiedades fundamentales del agujero negro: su masa y su giro, una medida de qué tan rápido está girando.

¿Podrías describir la configuración general de los agujeros negros que estás observando?

Todos están rodeados de discos de gas y polvo. Estos discos de acreción pueden calentarse lo suficiente por sí solos como para emitir radiación óptica y ultravioleta, pero no lo suficiente como para crear rayos X. Lo que vemos con nuestros telescopios es que los agujeros negros en acreción, que están en proceso de consumir esos discos, siempre producen rayos X. Si ves rayos X desde mil millones de años luz de distancia, probablemente provengan de un agujero negro supermasivo en acreción.

¿Cómo crean los agujeros negros esos rayos X?

Sabemos que debe haber plasma de muy alta energía alrededor del agujero negro que está creando estos fotones de rayos X. A eso lo llamamos corona, como el plasma caliente que rodea al sol. La corona de un agujero negro es como la corona encima del disco de acreción. Puede calentarse mucho y produce muchos rayos X. El material en el disco de acreción es de aproximadamente un millón de kelvins, pero la corona es de mil millones de kelvins. En realidad no sabemos mucho sobre esta corona y una de las grandes preguntas es: ¿Cómo se forma? ¿Cuál es su geometría?

Entonces, ¿cómo puede la técnica que ustedes utilizan, el mapeo de reverberación, pasar de recolectar rayos X a revelar la corona y sus alrededores?

Tienes esta corona alrededor de un agujero negro, así como un disco de acreción. Y a medida que la corona irradia ese disco de acreción más frío con rayos X, hace que los iones del disco irradien sus propios rayos X, principalmente a través de la fluorescencia.

Básicamente, estos rayos X secundarios son como ecos de luz, por eso los llamamos ecos de reverberación. Lo que estamos haciendo es medir los retrasos de tiempo entre un destello primario de luz de rayos X de la corona y los ecos correspondientes del disco de acreción. Si podemos medir esos ecos, entonces podremos reconstruir cómo se ve alrededor del agujero negro.

Es similar a cómo los murciélagos utilizan la ecolocalización. No pueden ver la cueva oscura por la que vuelan, pero saben que el eco regresará hacia ellos con cierto retraso y pueden utilizar el hecho de que el eco viaja a la velocidad del sonido para trazar el mapa. cueva oscura. Estamos haciendo eso, excepto que la luz viaja a la velocidad de la luz.

Estaba a punto de decir que las paredes alrededor de un murciélago no se mueven a velocidades relativistas, así que imagino que las cosas son un poco más complicadas cuando haces esto.

[Risas] Es un poco más complicado que eso, sólo un poco...

Entonces, ¿qué se necesita para pasar de sus datos (fotones de rayos X en un cubo) a un mapa de la región alrededor de un agujero negro?

Originalmente, solo buscábamos un rango de longitudes de onda de rayos X que sabíamos que estaba dominado por la emisión de la corona, y un rango que sabíamos que estaba dominado por ese eco. Descubrimos que si convertías el retraso de tiempo entre esos rangos en una distancia que recorre la luz, correspondía aproximadamente a mapear los flujos de gas muy cerca del agujero negro, algo dentro de unas pocas veces el radio del horizonte de sucesos.

Ahora intentamos crear muchas simulaciones diferentes de sistemas de discos de acreción de corona y luego identificar aquellas que se parecen a los datos que vemos. Hacemos esto con lo que se llama simulaciones relativistas generales de trazado de rayos. Las simulaciones de trazado de rayos se utilizan en todo tipo de videojuegos, y es el mismo tipo de principio: tomamos un punto que es un modelo para la corona, proyectamos rayos de luz desde él en todas las direcciones diferentes y simplemente seguimos hacia donde esas luces los rayos van. Algunos de ellos irán hasta un observador distante y otros caerán en el disco, lo irradiarán y luego rebotarán y se reflejarán en el plano del telescopio.

¿En qué se diferencia el mapeo de reverberación de, digamos, lo que hizo el Event Horizon Telescope para obtener imágenes directas de los agujeros negros?

El Event Horizon Telescope ha sido simplemente increíble para obtener imágenes de los agujeros negros en el centro de nuestra galaxia y M87, pero en realidad solo puede hacer esos dos agujeros negros. Más que eso, si queremos abordar la cuestión de cómo crecen los agujeros negros, debemos observar los agujeros negros que están creciendo activamente en este momento, o más bien, los agujeros negros que son extremadamente luminosos en rayos X.

El agujero negro en el centro de nuestra galaxia debe haber tenido esta fase en la que estaba creciendo activamente y consumiendo una gran cantidad de material. En este momento, no está haciendo eso, y es precisamente porque no está creciendo mucho que el Event Horizon Telescope puede obtener imágenes directas de él. Para estudiar esos agujeros negros que están creciendo activamente, donde hay material de alta densidad corriendo hacia el agujero negro, necesitamos otra técnica. Y ahí es donde entra en juego el mapeo de reverberación.

¿Hay algún agujero negro específico que haya observado que le resulte particularmente informativo?

Mi táctica general de investigación es encontrar agujeros negros que se comporten de la manera que esperamos. Si puedes comprender los detalles de esos sistemas y puedes trazar realmente claramente la geometría alrededor del agujero negro, entonces podrás realizar mediciones precisas de la masa y el giro del agujero negro.

Uno de mis favoritos en este momento es un binario de rayos X llamado MAXI J1820+070. No es un agujero negro supermasivo; es sólo 10 veces la masa del sol. Está en un sistema compañero con una estrella, y está extrayendo gas de esa estrella y formando un disco de acreción y una corona. Es simplemente un sistema muy limpio y está muy cerca de la Tierra: es mil veces más brillante para nosotros que estos agujeros negros supermasivos.

Y por otro lado, ¿qué agujeros negros te parecen particularmente extremos o particularmente extraños?

Me gusta estudiar a los chicos normales y luego me gusta poner las cosas en marcha y ver dónde se rompen. Lo que también es realmente divertido son los extraños sistemas que te mantienen despierto por la noche preguntándote: ¿Cómo diablos la naturaleza permitió que eso sucediera? Y la fuente que me ha mantenido despierto por la noche se llama ASASSN-18el, que es un agujero negro supermasivo.

ASASSN-18el fue encontrado por el estudio de todo el cielo ASAS-SN como uno de esos agujeros negros que parecían normales y luego, de repente, tuvieron un estallido loco. Comenzamos a observarlo con observaciones ópticas, ultravioleta y también con muchas observaciones de rayos X, y se volvió totalmente loco. Tuvo estos estallidos iniciales y luego se apagó, como una disminución de luminosidad de cuatro órdenes de magnitud. Y luego se volvió a encender y se convirtió en la fuente de rayos X más brillante del cielo extragaláctico durante aproximadamente un año, y luego comenzó a apagarse nuevamente. Ahora parece que puede volver a encenderse.

Pensábamos que el plazo para que algo se apagara en cuatro órdenes de magnitud sería de al menos millones de años. Y, sin embargo, lo vimos suceder en un año o en unos pocos meses. ¿Cómo sucede algo así?

Históricamente, lo que sabíamos sobre estos agujeros negros supermasivos en acreción, llamados núcleos galácticos activos, lo aprendimos de estudios en los que los observábamos de vez en cuando. Pero ahora tenemos estos estudios de todo el cielo que escanean el cielo un par de veces por semana, y simplemente estamos mirando estos agujeros negros, viendo lo que hacen. Y resulta que cuando no los mirábamos, estaban haciendo todo tipo de locuras. Ahora finalmente nos estamos dando cuenta.

¿Qué te motivó a dedicarte a la astronomía y estudiar los agujeros negros, y qué te mantiene inspirado hoy?

Lo que realmente me entusiasmó de dedicarme a la astronomía fue el aspecto del descubrimiento: fue muy emocionante ser la primera persona en observar la luz que se liberó alrededor de un agujero negro hace mil millones de años. Eso es increíble. ¿Cómo es que nosotros, los insignificantes seres humanos, podemos siquiera pensar en estas cosas, o unirnos para crear tecnologías que respondan a algunas de estas enormes preguntas fundamentales que la gente se ha estado planteando desde el comienzo del pensamiento humano?

Y me encanta el aspecto comunitario de unir a las personas por un objetivo común. Tenemos esta idea sobre lo que es la “ciencia”: que estabas sentado solo e inspirado por tu propio genio creativo, e hiciste todos estos descubrimientos por tu cuenta. Pero eso no es lo que lo hace súper inspirador. Para mí, es que podemos trabajar juntos y utilizar la experiencia de cada uno para crear algo mucho más grande que cualquiera de nosotros.