Muchos objetos gravitatorios compactos del cosmos, como los agujeros negros, las singularidades desnudas y los agujeros de gusano, sólo pueden detectarse por las firmas de sus sombras. Distinguir sus diferentes naturalezas a través de sus sombras es una tarea difícil porque muchas veces sus sombras son muy parecidas. Por lo tanto, no podemos basarnos exclusivamente en esta información para discernir sin ambigüedades las geometrías espaciotemporales específicas de los objetos.
Por ejemplo, las imágenes de radio obtenidas con el Event Horizon Telescope para observar directamente los discos de acreción de los agujeros negros supermasivos en los centros galácticos, son difíciles de interpretar ya que la información sobre su campo gravitatorio está acoplada de forma no lineal a la magnetohidrodinámica del sistema.
El Rol de la Polarización en la Identificación de Objetos Compactos
La principal característica analizada en este tipo de imágenes es su perfil de intensidad. Un enfoque interesante para restringir aún más la geometría espacio-temporal es considerar también la polarización de la radiación electromagnética que emana del disco de acreción. La polarización proporciona información sobre la estructura del campo magnético en la región de gravedad intensa y, por tanto, sirve para sondear la interacción del campo magnético local con la geometría espaciotemporal.
Un estudio reciente de la polarización observable en la fuente de radio del agujero negro M87*, publicado por la Colaboración del Telescopio del Horizonte de Sucesos, reveló una emisión linealmente polarizada a escala del horizonte de sucesos que se cree producida por radiación sincrotrón [1]. La radiación sincrotrón es la radiación electromagnética emitida cuando las partículas cargadas se desplazan por trayectorias curvas. La radiación así producida tiene una polarización característica y las frecuencias generadas pueden abarcar una gran parte del espectro electromagnético.
Mediante modelos astrofísicos y sus simulaciones numéricas, los datos observacionales recogidos proporcionan una gran oportunidad para comprender la firma y los mecanismos en M87*.
Comparación de los Patrones de Polarización: Agujero Negro de Schwarzschild Frente a Agujero de Gusano
Empleando el modelo simplificado de un anillo fluido magnetizado que orbita en el plano ecuatorial y emite radiación sincrotrón, un equipo de investigadores de la Universidad de Sofía, en Bulgaria, simuló la polarización observable en geometrías de agujero de gusano para una serie de parámetros físicos y la comparó con el caso del agujero negro de Schwarzschild. Para poder reproducir la polarización observada de M87*, se centraron principalmente en los campos magnéticos ecuatoriales, cuya magnitud se supuso constante.
Este modelo consigue reproducir las características básicas de la polarización observable, utilizando pocos parámetros: el radio del anillo y su inclinación con respecto al observador, la velocidad del fluido en el marco de reposo local y la magnitud y la dirección del campo magnético. Con este modelo, los investigadores exploraron las firmas de polarización en el espaciotiempo de objetos compactos sin horizonte, buscando también características cualitativamente nuevas de las imágenes polarizadas que pudieran distinguir observacionalmente los objetos compactos exóticos mediante estas medidas de polarización.
También investigaron hasta qué punto es sensible la polarización observable a la geometría del espacio-tiempo y hasta qué punto pueden utilizar su estructura para determinar la naturaleza física de los objetos compactos en los centros galácticos. Su investigación tiene como objetivo saber si la naturaleza del espacio-tiempo, que no es la de un agujero negro, dejaría huellas en las propiedades de la polarización, ya que les gustaría aislar los efectos que pueden atribuirse principalmente a la ausencia de un horizonte de sucesos seleccionando geometrías que posean una estructura de las geodésicas circulares similar a la del agujero negro de Schwarzschild.
En su trabajo, los autores describen el modelo físico de la polarización lineal, que resulta de la radiación sincrotrón que se propaga en el espaciotiempo curvo, y el procedimiento computacional para obtener su imagen observable, presentando las imágenes simuladas para la polarización lineal en geometría de agujero de gusano y discutiendo sus propiedades en comparación con el agujero negro de Schwarzschild. Se consideraron las imágenes directas con diferentes ángulos de inclinación, así como las imágenes indirectas fuertemente lenteadas.
Realizando una serie de simulaciones en el espaciotiempo estático de los agujeros de gusano para distintos ángulos de inclinación y direcciones del campo magnético, los autores investigaron cómo la geometría del espaciotiempo influye en las propiedades de polarización del modelo de anillo de fluido, concluyendo que la lente gravitatoria directa alrededor de los agujeros de gusano puede dar lugar a una imagen de polarización similar a la de los agujeros negros para ángulos de inclinación pequeños, como se muestra en la figura siguiente. La emisión ecuatorial directa en el espaciotiempo de los agujeros de gusano puede reproducir los datos de polarización de M87* de forma comparable al modelo correspondiente en el espaciotiempo de Schwarzschild.
Para evaluar cuantitativamente la variación de la imagen de polarización de los dos tipos de objetos compactos, se analizó en profundidad la desviación de la intensidad de polarización y su dirección. Basándose en el análisis de cierta clase de geometrías de agujeros de gusano, los autores del estudio concluyen que, con ángulos de inclinación pequeños, podría ser difícil distinguir los espacios-tiempo de agujeros de gusano de los de agujeros negros mediante sus imágenes polarizadas directas. Las imágenes indirectas de fuerte lente proporcionan sondas más fiables del espaciotiempo subyacente, así como efectos característicos como la detección de la radiación polarizada de la región a través de la garganta del agujero de gusano.
Los resultados proporcionados por Nedkova et al. sugieren que, si los agujeros de gusano existen, sus firmas son muy similares a las de los agujeros negros en una serie de ángulos, lo que plantea la posibilidad de que hayamos visto ejemplos de este fenómeno alucinante sin saberlo. Quizá algunas de las firmas que hemos detectado y que pensábamos que pertenecían a agujeros negros, podrían ser en realidad de agujeros de gusano.
Los investigadores creen que debería ser posible distinguir los agujeros de gusano de los agujeros negros observando sutiles diferencias en sus patrones de polarización, intensidades y también en sus radios.
Referencias
[1] Valentin Deliyski, Galin Gyulchev, Petya Nedkova, and Stoytcho Yazadjiev Phys. Rev. D 106, 104024
