¿Cómo puede un agujero negro producir sonido?

Question

Estaba leyendo este artículo de la NASA -- es la NASA -- y literalmente me encontré perplejo. El artículo describe el descubrimiento de que los agujeros negros emiten una "nota" que tiene ramificaciones físicas en los detritos a su alrededor.

9 de septiembre de 2003: Astrónomos que utilizan el Observatorio de rayos X Chandra de la NASA han encontrado, por primera vez, ondas sonoras de un agujero negro supermasivo. La "nota" es la más profunda jamás detectada de cualquier objeto en nuestro Universo. Las tremendas cantidades de energía transportadas por estas ondas sonoras pueden resolver un problema de larga data en la astrofísica.

El agujero negro reside en el cúmulo de galaxias Perseo ubicado a 250 millones de años luz de la Tierra. En 2002, los astrónomos obtuvieron una observación profunda de Chandra que muestra ondulaciones en el gas que llena el cúmulo. Estas ondulaciones son evidencia de ondas sonoras que han viajado cientos de miles de años luz desde el agujero negro central del cúmulo.

“Las ondas sonoras de Perseo son mucho más que una interesante forma de acústica de agujeros negros”, dice Steve Allen, del Instituto de Astronomía y co-investigador en la investigación. “Estas ondas sonoras pueden ser la clave para descubrir cómo crecen los cúmulos de galaxias, las estructuras más grandes del Universo.”

Excepto:

• Los agujeros negros son tan masivos que la luz, que es más rápida que el sonido, no puede escapar.
• El sonido no puede viajar en el espacio (el espacio tiene demasiado, bueno, espacio).
• ¿Es un si bemol?

Entonces: ¿Cómo puede un agujero negro producir sonido si la luz no puede escapar de él?

Answer 1

No voy a abordar el mecanismo de producción,1 solo la naturaleza del "sonido" en este caso.

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Lo que tú piensas como el vacío absoluto del espacio exterior también podría verse como un gas muy, muy, muy difuso, algo ionizado. Ese gas puede soportar ondas de sonido siempre y cuando la longitud de onda sea considerablemente mayor que el camino libre medio de los átomos en el gas.

En cuanto al tono, hay una relación simple entre el tono del mismo nombre en diferentes octavas, por lo que una vez que conocen la frecuencia dominante pueden determinar su lugar en la escala.

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1Aunque no sucederá dentro del horizonte de sucesos -- donde se aplica la frase "ni siquiera la luz puede escapar" -- sino en la región alrededor del agujero propiamente donde se acumula gas y polvo y los campos magnéticos del agujero juegan al caos con los componentes ionizados de la materia acumulada.

Answer 2

Como los demás chicos ya han cubierto la mayor parte del tema, me gustaría citar algunas cosas. La luz no puede escapar solo desde el interior del horizonte de eventos porque ya ha caído en él. Pero después de leer el artículo ahora podríamos indicar algunos puntos.

• El artículo dice específicamente un "agujero negro supermasivo". Son mucho más grandes en tamaño en comparación con otros agujeros negros (como Schwarzchild, por ejemplo). Por lo tanto, no son lo suficientemente fuertes como para producir una fuerza de marea asombrosa sobre la materia que cae en el horizonte de eventos. Y eso es porque la singularidad central está ubicada muy profundo en el agujero negro (a una gran distancia del horizonte de eventos).

• Como dices, el espacio exterior es solo un poco de vacío y no completamente vacío. Consiste en unos pocos átomos de hidrógeno por metro cúbico. En tu caso, los gases en el cúmulo de Perseo son lo suficientemente buenos como para servir como un medio para que estas ondas sonoras de frecuencia muy baja viajen a través de ellos.

Las ondas sonoras son simples ondas de presión longitudinal y por lo tanto necesitan un medio. A medida que el agujero negro atrae material hacia adentro, la presión gravitacional hace que expulse materia y energía, que percibimos como chorros de gas y los llamamos "chorros relativistas".

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El astrónomo Steve Allen dijo, (no lo conozco, pero parece que es una gran persona)

Las ondulaciones fueron causadas por el estrujamiento rítmico y el calentamiento por la intensa presión gravitacional del revoltijo de galaxias apretadas juntas en el cúmulo. A medida que el agujero negro atrae material, también crea chorros de material disparando arriba y abajo de él, y son estos poderosos chorros los que crean la presión que genera las ondas sonoras.

Pero me alegra que en realidad no hayamos escuchado el sonido del agujero negro. La observación real se debió a los rayos X. ¡Ni siquiera puedo imaginar cómo las ondas sonoras nos llegan viajando a través de los átomos de hidrógeno distribuidos por toda la galaxia! De hecho, pueden viajar a través de los chorros pero no pueden llegar a nosotros tan rápido..! En realidad, estas ondas de presión han viajado junto con los chorros traversando a lo largo de el medio por su física de estiramiento/compresión. Creo que la curiosidad a largo plazo se ha desvanecido con este tipo de observación.

¿Por qué estas nubes de rayos X siempre están calientes y no se enfrían en absoluto?

El mismo tema hablado por la NASA indica algo satisfactorio...

Las ondas sonoras fueron detectadas indirectamente utilizando el telescopio Chandra porque el gas del cúmulo es muy caliente y por lo tanto emite una forma especialmente energética de luz llamada rayos X, así como luz visible menos enérgica. Y el gas es tan caliente debido a los efectos del agujero negro. Más que una curiosidad acústica, estas ondas sonoras transportan energía que mantiene el gas en todo el cúmulo más cálido de lo que sería de otro modo. Estas temperaturas más cálidas, a su vez, regulan la tasa de formación estelar nueva, y por lo tanto la evolución de galaxias y cúmulos de galaxias.

Y tu artículo también está de acuerdo con el hecho:

Las ondas sonoras, vistas expandiéndose desde las cavidades en la reciente observación de Chandra, podrían proporcionar este mecanismo de calentamiento.

Answer 3

En primer lugar, para obtener referencias adicionales, está el comunicado de prensa original. Además, un informe similar de otro agujero negro se encuentra aquí. Parece que a la gente de Chandra les gusta este tipo de cosas. También vale la pena señalar que, por lo que sé, solo hay comunicados de prensa y no hay artículos científicos publicados sobre este fenómeno.

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Ahora para abordar las preguntas.

Los agujeros negros son tan masivos que la luz, que es más rápida que el sonido, no puede escapar.

Bueno, la luz desde dentro del agujero negro no puede escapar. Pero los agujeros negros activos crean vecindarios violentos a su alrededor. En general, habrá un disco de acreción, un disco relativamente plano de material que gira lentamente hacia el agujero negro. La fricción debido a la rotación diferencial en este disco puede hacer que se caliente mucho, especialmente cerca del agujero negro. Además, el momento angular y los campos magnéticos conspiran para hacer que salgan chorros de los "polos" del agujero negro (casi todos los agujeros negros en astronomía se espera que estén rotando significativamente). Una vez más, la materia nunca llega realmente al horizonte de eventos, ya que por definición no la veríamos de nuevo.

Entonces, ¿qué es este sonido? Según lo que puedo entender de los comunicados de prensa, estos agujeros negros en particular pasan por períodos de baja acreción y alta acreción. Puede haber mucho material cayendo durante mucho tiempo, alimentando chorros que bombean energía más allá incluso de la galaxia en la que reside el agujero negro.1 Luego habrá unos pocos millones de años en los que casi nada cae en el agujero negro, durante los cuales los chorros son poco más que goteos. Este ciclo se repite de manera semirregular, provocando ráfagas periódicas de energía que se envían hacia afuera.

El sonido no puede viajar en el espacio (el espacio tiene demasiado, bueno, espacio).

Bueno, sí y no. Es cierto que hay algo de material incluso en el espacio entre galaxias. Por otro lado, es extremadamente difuso. De hecho, se ha dicho (no puedo recordar la fuente) que las nubes más densas de material en el espacio interestelar son más difusas que los mejores vacíos que podemos hacer en laboratorios. Por lo tanto, podrías imaginar que podría haber algo de propagación, pero no en el sentido tradicional.

Realmente, cuando la gente de Chandra dice que hay "sonido", lo que quieren decir es esto. Así, los pulsos de energía enviados forman ondas de choque2 que se propagan a través del medio intergaláctico. Si miras lo suficientemente lejos, verás estas regiones densas periódicas en un patrón no muy diferente a las ondas en un estanque. Dado que el "sonido" en el sentido normal consiste en sobredensidades que viajan a través del aire (aunque sin choques en la mayoría de los casos), y dado que estas son sobredensidades periódicas en el gas difuso entre galaxias, bien podríamos hacer una conexión entre ellos en términos de terminología.

¿Es un si bemol?

Toma esto con una gran cantidad de sal. Dudo que el ciclo de trabajo del agujero negro sea tan regular como para producir un "tono" monocromático. Esto es más bien un cálculo caprichoso. Nathaniel en un comentario hizo el cálculo inverso, yendo de "tono" a frecuencia. Para ver cómo los científicos cambiaron una frecuencia $f$ (básicamente el recíproco del tiempo entre períodos activos del agujero negro) a un tono nombrado, consulta esta entrada de Wikipedia. En resumen, el número del tono es $$ p = 69 + 12 \log_2\left(\frac{f}{440~\mathrm{Hz}}\right). $$ Introdujeron un $f$ y deben haber obtenido un $p$ alrededor de $-614$ o $-626$ (la redacción es ambigua). El si bemol encima del do central tiene $p = 70$, el que está debajo del do central tiene $p = 58$, el siguiente hacia abajo es $p = 46$, etc.

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Addenda: ¿Por qué es esto interesante? Más allá del capricho, hay un valor científico en esto. Creas o no, la mayoría de la masa (o al menos, la masa de materia normal, no de materia oscura) de un cúmulo de galaxias se encuentra fuera de las propias galaxias, en este medio intergaláctico (también conocido como intracúmulo). A pesar de su baja densidad, constituye una parte significativa del universo debido enteramente al gran volumen que ocupa. Más interesante aún, este gas es muy caliente, con millones de grados, a pesar de que la "temperatura de fondo" del universo es, en teoría, unos pocos grados por encima del cero absoluto. Es tan caliente que brilla en rayos X, por eso Chandra - un telescopio espacial de rayos X - lo estudia. Estas ondas sonoras pueden explicar una importante fuente de calentamiento e inyección de turbulencia en esta materia, lo que puede tener amplias implicaciones para la cosmología extragaláctica y la formación de galaxias. Todo esto cae dentro del término clave "retroalimentación de AGN", que es un tema muy candente en la astrofísica en estos días.

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1 Se cree que nuestro propio agujero negro supermasivo de la Vía Láctea tuvo una fase activa en algún momento. Los astrónomos detectaron recientemente las llamadas burbujas de Fermi que indican que dos chorros salían del centro de nuestra galaxia hace millones de años.

2 Las "ondas de choque" tienen un significado técnico en la dinámica de fluidos. Básicamente, hay una discontinuidad en la densidad; delante de la onda de choque, todo es normal y difuso, pero al pasar, hay una compresión e calentamiento casi instantáneos. Piensa en la onda de presión de una explosión.

Answer 4

Voy a especular sobre un mecanismo de producción para complementar la respuesta de @dmckee.

Es cierto que la luz no puede escapar de un agujero negro, excepto que puede perder energía a través de radiación de Hawking.

Supongamos que el agujero negro oscila, vibra, es decir, dentro de él existen ondas de compresión, esta sería otra forma de perder energía. Esto se debe a que el radio del horizonte estaría cambiando en el tiempo, es decir, el campo gravitacional en el espacio que lo rodea.

La detección de estas ondas sonoras alrededor del agujero también sería una medición de ondas gravitacionales.

Busqué en Google "agujero negro vibrante". el primer resultado:

Un agujero negro puede vibrar, y sus vibraciones producen ondas gravitacionales (ondulaciones en la tela del espacio-tiempo). Estas ondas arrastran el "cabello" de cualquier agujero negro recién nacido, dejándolo sin cabello cuando está en reposo, y también llevan codificados en sí mismos los valores de la masa y el giro del agujero [Bill Press, Richard Price y Saul Teukolsky].

Una segunda forma de ondas gravitacionales provenientes de la misma fuente:

Un agujero negro pequeño orbitando alrededor de un agujero masivo u otro cuerpo masivo produce ondas gravitacionales, y esas ondas llevan, codificados en sí mismos, mapas completos de la curvatura del espacio-tiempo del cuerpo. Si podemos detectar las ondas y extraer sus mapas, podemos usar los mapas para determinar la naturaleza del cuerpo masivo, y si es un agujero negro, podemos usar los mapas para probar la predicción de que no tiene cabello [Kip Thorne y Fintan Ryan].

Así que es una especulación científica y no de ciencia ficción.

Answer 5

De hecho, no es el Agujero Negro (singularidad o cualquier cosa por debajo del horizonte de eventos) el que está emitiendo ondas sonoras.

Un Agujero Negro absorbe materia de su vecindario. Esta materia absorbida produce ondas de sonido cuando está en camino antes de entrar en el Horizonte de Eventos del agujero negro (la luz no puede escapar desde dentro del horizonte de eventos). Las ondas de sonido producidas no son más que ondulaciones en la cavidad en el gas del cúmulo Perseo. Las ondulaciones son formadas por "chorro de materiales" (viajando a casi la velocidad de la luz) empujando hacia atrás el gas del cúmulo. Debido a su alta energía, puede ser detectado a millones de años luz de la fuente.

Pero, ¿qué expulsa la materia a tales altas velocidades cerca del sumidero definitivo?
La respuesta: Son las enormes fuerzas electromagnéticas que la expulsan antes de que pase más allá del horizonte de eventos del agujero negro. Estas poderosas fuerzas se generan cuando el gas magnetizado y caliente gira hacia el agujero negro creando voltajes extremos que aceleran partículas lejos del disco en direcciones opuestas.