Más brillante que la sombra: modelado de la radiación del agujero de gusano de Ellis-Bronnikov y su similitud con un agujero negro ✦
Mediante simulaciones de transporte radiativo relativista general (GRRT), se investigaron las diferencias observacionales entre un agujero de gusano de Ellis-Bronnikov y un agujero negro de Schwarzschild. Se consideró un flujo de acreción estacionario, esféricamente simétrico, con emisión sincrotrón. En ambos casos, las imágenes contienen una sombra central y un brillante anillo de fotones. Se encontró que la sombra y el anillo del agujero de gusano son notablemente más brillantes, lo que se explica por la ausencia de un horizonte de sucesos: la radiación de la materia más allá de la garganta contribuye adicionalmente a la intensidad observada. La comparación con los datos del Telescopio del Horizonte de Sucesos (EHT) para M87* muestra que ambos objetos están en acuerdo razonable con las observaciones actuales.
Context
Las imágenes directas de las sombras de objetos compactos supermasivos, obtenidas por el Telescopio del Horizonte de Sucesos, se han convertido en una nueva herramienta para probar la gravedad en campos fuertes. Aunque los datos apuntan a un agujero negro de Kerr, queda espacio para alternativas exóticas, como los agujeros de gusano — objetos sin horizonte de eventos, llamados por primera vez por John Wheeler, que conectan regiones distantes del espacio-tiempo curvado. El esclarecimiento de sus firmas observacionales es necesario para interpretar futuras observaciones más precisas.
Methods
Los autores construyeron una solución estacionaria esféricamente simétrica para el flujo de acreción en la métrica del agujero de gusano de Ellis-Bronnikov y del agujero negro de Schwarzschild, utilizando una ecuación de estado politrópica. Con el código CARTOON se realizaron cálculos de transferencia radiativa relativista general, teniendo en cuenta la radiación sincrotrónica, así como los efectos relativistas de corrimiento al rojo y desplazamiento Doppler. Los parámetros del plasma y polvo acretado (densidad electrónica, temperatura) se ajustaron para que el flujo total a 230 GHz fuera de ~0.5 Jy, en concordancia con las observaciones de la galaxia M87* por el Telescopio del Horizonte de Sucesos.
Results
Las imágenes de ambos objetos muestran una región central oscura —la sombra— y un brillante anillo fotónico, formado por fotones que realizan varias vueltas alrededor del objeto compacto. A igual masa, la sombra del agujero de gusano resultó más brillante: la radiación atraviesa la garganta y se añade la materia del otro lado. El anillo fotónico también es más brillante debido a un camino óptico más largo y un menor corrimiento al rojo gravitacional en ausencia de horizonte. Cuantitativamente, la depresión central (relación entre máximo y mínimo de intensidad) para el agujero de gusano fue de ~2.8, mientras que para el agujero negro fue de ~1.9, y el diámetro del anillo, de 45 microsegundos de arco frente a 42 microsegundos.
Implications
Los resultados muestran que los objetos compactos sin horizonte pueden imitar con éxito agujeros negros dentro de la precisión actual de las observaciones. Esto subraya la necesidad de desarrollar diagnósticos sensibles a la presencia del horizonte de eventos, por ejemplo, mediante la variabilidad de la radiación o la polarización. Además, la similitud con los núcleos activos de galaxias y cuásares deja abierta la cuestión sobre la verdadera naturaleza de los motores centrales.
Future development
Futuras misiones de interferometría espacial de muy larga base, como Black Hole Explorer (BHEX), permitirán estudiar la estructura fina de los anillos fotónicos y, posiblemente, detectar la radiación que atraviesa el agujero de gusano. Mejorar la resolución angular hasta unidades de microsegundos de arco será decisivo para distinguir entre modelos con y sin horizonte.
Impact
El trabajo está directamente relacionado con la astrofísica de agujeros negros, las lentes gravitacionales y la comprobación de teorías modificadas de la gravedad, así como con la interpretación de datos de fotometría de núcleos activos de galaxias.
Next steps
Se necesitan experimentos numéricos con discos de acreción y efectos magnetohidrodinámicos, lo que permitirá tener en cuenta la asimetría de las imágenes. También son prometedoras las observaciones polarimétricas, que dependen más de la geometría del campo magnético cerca del horizonte.
Key open problems
La investigación aborda un problema fundamental: si los objetos compactos supermasivos en los centros de las galaxias son agujeros negros de la relatividad general o formaciones exóticas que requieren violar las condiciones energéticas y, por tanto, una nueva física más allá del Modelo Estándar.
🎯 El agujero de gusano de Ellis-Bronnikov fue descubierto independientemente por H. Ellis y K. Bronnikov en 1973 como una solución con un campo escalar fantasma. Curiosamente, su masa en la otra región asintótica es negativa, y la garganta se sitúa en el punto R=0.
🎬 La idea de los agujeros de gusano como portales a otros universos es ampliamente conocida por la película «Interstellar», donde los protagonistas viajan a través de un agujero de gusano creado por una civilización superavanzada. Aunque el modelo de Ellis-Bronnikov es inestable sin campos adicionales, ilustra la base científica real de tales objetos hipotéticos.
Key numbers
- Flujo total: 0.5 Jy
- Diámetro del anillo de M87*: 42 μas
- Diámetro de la sombra EB: ~45 μas
- Radio del anillo fotónico: 6.21M
- Depresión central: 2.8