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¿Por qué los agujeros negros no aparecen en color negro en las imágenes de las galaxias tomadas desde el HST?

Según la NASA

un agujero negro es cualquier cosa menos un espacio vacío. Más bien, es una gran cantidad de materia empaquetada en un área muy pequeña

Según el documental Espacio Desvelando El Cosmos sobre los agujeros negros

La gravedad aquí es tan fuerte que incluso la luz no puede escapar

Lo que me lleva a creer que los Agujeros Negros básicamente son masas tan compactas pero grandes que les da una influencia gravitacional muy fuerte (Ley Gravitacional de Newton) que la luz no puede salir, de ahí que sea un agujero "Negro".

Si mi comprensión de los agujeros negros es correcta, ¿por qué esas galaxias espirales fotografiadas con el telescopio Hubble muestran una gran bola brillante en lugar de un agujero "negro"? ¿Cuál es la pista obvia que se me escapa?

Aquí está la imagen de la Galaxia de Andrómeda tomada con el Hubble.

Andromeda Image taken using HST

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A un nivel muy básico de explicación, a pesar de que los agujeros son "prefectamente negros", hay muchas estrellas orbitando alrededor de ellos. Los centros de las galaxias espirales suelen tener concentraciones relativamente altas de estrellas masivas y jóvenes, por lo que suelen ser las regiones más brillantes de dichas galaxias.

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Consulta el capítulo 7 Black Holes Ain't So Black del libro A Brief History of Time: Del Big Bang a los agujeros negros.

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Kyle Oman Puntos 9668

Una galaxia gigante típica, como la que has proporcionado en la foto, tiene un radio de algo así como $10\;\rm kpc$ (kiloparsec - $1\;\rm pc \approx 3.2\;ly$ ).

Un agujero negro supermasivo alojado en una galaxia de este tipo tiene una masa de algo así como $10^6-10^9\;\rm M_\odot$ (masa solar, $1\;\rm M_\odot \approx 2\times10^{30}\; kg$ ). Los monstruosos agujeros negros de mil millones de masas solares sólo se encuentran realmente en elípticas particularmente grandes; la galaxia de su foto alberga probablemente uno de entre uno y varios millones de masas solares. El radio del horizonte de un agujero negro de este tipo será del orden del Radio de Schwarzschild Así que..:

$$r_s=\frac{2GM}{c^2}\approx10^{-10}\rm\; kpc$$

Así que el agujero negro supermasivo es algo así como 100.000 millones de veces más pequeño en radio que la galaxia, muy muy más pequeño que un píxel en una imagen como la que muestras.

Además, hay muchas estrellas en la región central de una galaxia y muchas estarán cerca (o más o menos delante) del agujero negro, por no hablar de las nubes de gas intragaláctico que pueden oscurecer la visión del agujero negro.

Dicho esto, es posible utilizar interferometría de línea de base muy larga para tomar "fotos" de un par de agujeros negros cercanos. Creo que aún no hay imágenes exitosas, pero probablemente obtendremos algunas en los próximos 3 años más o menos utilizando el Telescopio Horizonte de Sucesos . Una predicción de lo que se verá:

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La formación de la imagen es bastante complicada (el artículo que enlazo más adelante da muchos de los detalles sangrientos si te interesa). En primer lugar, ten en cuenta que está en "falso color", el color indica la intensidad de la radiación desde el azul (bajo) hasta el blanco (alto). Los fotones proceden de un disco de gas caliente ("disco de acreción") que se espera encontrar cerca de muchos agujeros negros. Los de la imagen son los que se acercan al agujero negro, pero no entran en él. Debido a la curvatura del espaciotiempo, los fotones pueden orbitar el agujero y acumularse en estas "órbitas de fotones". Las órbitas se producen a unos pocos radios de Schwarzschild del agujero. Las órbitas no son estables, por lo que algunos fotones acaban cayendo en el agujero, mientras que otros se escapan, que son los que aparecen en la imagen. La fuerte asimetría de la imagen (mientras que se espera que un BH sea muy simétrico) se debe al hecho de que la fuente de la luz (el disco de acreción) no es esféricamente simétrica, y sólo tiene una simetría axial aproximada: puede estar deformada, tener puntos brillantes y oscuros, etc. Uno de los lados de la imagen es más brillante porque, normalmente, un lado se dirige hacia nosotros de forma relativista y el otro se aleja. Esto es lo más parecido a un agujero negro que "parece negro". Hay fotones que orbitan a través de la "cara" del agujero en la imagen, pero ninguno llega hasta nosotros desde esa dirección, por lo que el agujero aparece negro en la imagen.

Hay un artículo que me ha gustado especialmente leer sobre los aspectos más teóricos de estas imágenes de agujeros negros: Comprobación del teorema de la ausencia de pelo con observaciones del telescopio del horizonte de sucesos de Sagitario A* . Incluye más imágenes simuladas a resoluciones más parecidas a las que conseguiremos de forma realista con el EHT.

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¿Cómo cambia esta imagen, si es que lo hace, cuando el agujero negro está rodeado de otra materia? A medida que la materia se acelera rápidamente hacia el horizonte de sucesos, ¿no se generaría radiación por las colisiones entre partículas igualmente malparadas? ¿Podría esa radiación llegar hasta nosotros, y ocluiría la parte "negra" en su imagen predictiva?

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@AaronNovstrup El propio disco de acreción (el borde interior) está necesariamente a radios mayores que la órbita de los fotones, pero eso no impide que el disco se sitúe al otro lado del agujero en proyección, y esto sí podría obstruir la visión, al igual que las estrellas o nubes de gas intermedias. Sin embargo, no estoy seguro de las longitudes de onda de emisión esperadas para cada trozo y las opacidades - se podría ver la emisión del anillo a través de (¿ciertas partes de?) el disco de acreción mientras se filtra el propio disco. La emisión y la dispersión en las inmediaciones de un agujero negro es realmente un lío.

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Ten en cuenta que google me dice que 10^-10 kpc son unos 2M de millas o 3M de kilómetros. Hay coches que han recorrido esa distancia. 10^-10 kpc son unos 10 segundos luz (compárese con 100.000 años luz para el diámetro de una galaxia). La escala de "kpc" a veces puede confundir o engañar a un no astrónomo que tiene dificultades para expresarlo en otros términos.

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