El agujero negro de Interstellar

El miércoles tuve constancia de un nuevo trailer de la película Interstellar, una obra de ciencia ficción dirigida por Christopher Nolan y basada en el trabajo del astrofísico Kip Thorne sobre agujeros de gusano. La película empezó a atraer mi atención especialmente cuando se dijo que respetaría la ciencia de forma bastante estricta, y además trataría de estimular de nuevo a la gente sobre el viaje espacial tripulado. Lo segundo quedó claro en un primer teaser trailer que apenas mostraba nada de la película pero daba un mensaje inspirador sobre la exploración espacial. Hace unos meses salió otro trailer con más datos sobre el argumento pero que sólo mostraba el agujero de gusano como una especie de lente gravitatoria con estrellas dentro, sin mostrar qué se encuentra al otro lado.

El tercer trailer cambia esto. Y de qué manera. Se puede acceder a él yendo a la nueva web de la película o directamente en YouTube. Hacia el final del vídeo aparece una espectacular escena que como astrofísico me decidió a ver la película en el mejor cine, lo más pronto y en las mejores condiciones que pudiese. Consiste en la representación más realista de un agujero negro con disco de acreción que he contemplado jamás:

Fotograma del trailer de Interstellar. ©Warner Bros.

Me explico. Un agujero negro es una acumulación de masa tan, tan concentrada que crea una región de espacio a su alrededor de la que ni siquiera la luz puede escapar (delimitada por el llamado horizonte de sucesos). Cuando algún objeto como una estrella, planeta o nube de gas se acerca demasiado a uno de ellos puede ocurrir que los efectos de marea (que el objeto sufra mayor atracción gravitatoria en la parte del mismo más cercana al agujero que en la más alejada) acaben disgregándolo y tal vez quede orbitando dicho agujero negro en forma de disco de gas y polvo. En muchos casos, la materia en las regiones centrales del disco es acelerada a velocidades tan altas que se vuelve incandescente por interacciones y rozamientos entre las partículas que la componen. Seguramente habréis visto representaciones artísticas de este fenómeno: un disco de gas brillante rodeando una bola negra que representa al agujero negro en sí, supuestamente la esfera del horizonte de sucesos. Pero hay un detalle que la mayoría de estas imágenes pasan por alto, y es que la luz no pasa directamente de no poder salir del agujero negro dentro del horizonte de sucesos a comportarse normalmente, propagándose en las trayectorias rectas cotidianas a las que estamos acostumbrados. Cuando la luz viaja cerca de acumulaciones de masa, es desviada por la gravedad produciendo imágenes curiosas.

En el siguiente vídeo puede verse una simulación por ordenador de uno de estos discos. Prestad atención del minuto 0:56 en adelante, donde indican en un diagrama la trayectoria que sigue la luz para dar lugar a cada estructura:

Puede verse que la luz que sale de la parte de debajo del disco puede llegar a ser desviada hasta llegar al observador situado por encima, dando lugar a anillos que no son más que espejismos. Hay rayos de luz que incluso llegan a dar una vuelta completa al agujero negro antes de poder escapar, creando imágenes de anillos extra más internos.

Sin embargo, esa simulación no se corresponde del todo con lo que vemos en el trailer. Esto es debido a que en ella el observador está situado demasiado por encima del plano del disco, y además éste es demasiado grande y grueso comparado con el de la película. Una visualización más parecida puede verse en esta web de una empresa de software en la que ponen un caso así como ejemplo (en el apartado "Results" casi al final de la página), y donde además aportan información extra sobre el proceso. Aquí reproduzco la imagen de la configuración más similar a la del trailer, donde pueden apreciarse los mismos detalles, incluidos los anillos internos de los que hablaba antes:

©www.locklessinc.com (Fuente)

Pero la desviación de la luz no es el único efecto que tiene lugar. Como la velocidad de la luz es constante para todo observador, si un objeto emite un cierto número de fotones por segundo moviéndose en una dirección determinada y a una velocidad cercana a la de la luz, un observador situado en la dirección del movimiento de ese objeto recibirá un número mayor de fotones por segundo y lo verá más brillante. Esto es así porque cuando emite un segundo fotón, el objeto ha recorrido una fracción considerable de la distancia que ha hecho el primer fotón en ese tiempo, así que llegan con menos intervalo de tiempo entre ellos que al emitirse. Hay más efectos relativistas que influyen en el proceso, pero para entender el concepto básico esta explicación sirve. El que algo que emite luz se vea más brillante cuando se dirige hacia el observador que cuando se aleja hace que la luminosidad del disco se perciba de la siguiente forma (imagen del artículo Interactive visualization of a thin disc around a Schwarzschild black hole, de Thomas Müller y Jörg Frauendiener):

Crédito: Thomas Müller y Jörg Frauendiener ©2012 IOP Publishing Ltd

Y si nos fijamos en una escena anterior del trailer de Interstellar, podemos ver hasta ese detalle:

Imágenes así hacen aún más difícil para mí comprender a quienes asumen de partida que es preferible mostrar en una película visualizaciones familiares pero científicamente erróneas antes que tratar de ver primero cómo sería algo realmente. Siendo honestos, muchísima gente está familiarizada con fenómenos astrofísicos o científicos en general por lo que ve de ellos en películas o televisión, de modo que si fuesen realistas tendríamos una mejor cultura científica en el imaginario colectivo. Muchos científicos están más que dispuestos a ayudar en esta tarea, y además este realismo a veces da lugar a mejores y nuevas ideas para la historia, o a resultados visuales tan espectacularmente bellos como el que nos ocupa. Me llena de alegría cuando todas estas características se dan a la vez.

No quería terminar sin comentar una serie de detalles que pueden deducirse del agujero negro tal y como se ve en este trailer. Veréis, debido a la forma en que un agujero negro curva el espacio, la materia sólo puede tener órbitas circulares estables a su alrededor a partir de un cierto radio, que suele ser unas tres veces el radio del horizonte de sucesos si la rotación del agujero negro no es elevada (los efectos de lente que se ven en las imágenes se corresponden con este caso). Si la órbita de un objeto es más interna, ésta se vuelve inestable, hasta que un objeto a menos de una vez y media el radio del horizonte de sucesos caerá inexorablemente hacia dentro si ningún tipo de propulsión está constantemente actuando. Comparando las imágenes con las simulaciones parece que el borde más interno del disco (¿anillo?) de materia está en esa última órbita estable, de modo que el radio del horizonte de sucesos será un tercio del mismo. ¿Y por qué es esto importante? Porque este radio nos da directamente la masa del agujero, y en la primera imagen de la entrada tenemos un planeta delante para comparar. Si el radio de este planeta está entre 1000 y 10000 km, y el agujero negro está a distancias usuales dentro de un sistema solar interior, parece que ese radio sea de unos 100000 kilómetros, lo que corresponde a decenas de miles de veces la masa del Sol. Eso está entre las masas de los agujeros negros estelares que sabemos que se forman en explosiones de supernova, y los agujeros negros supermasivos que sabemos que están en el centro de muchas galaxias. Dado que creemos que los segundos se forman a partir de los primeros, los astrónomos llevan tiempo buscando estos agujeros negros de masa intermedia que aporten información sobre el proceso. ¿Será el de Interstellar uno de ellos? Y por otro lado, la temperatura de estos discos de acreción puede ser tan alta que emita buenas cantidades de radiación en forma de luz ultravioleta y rayos X. ¿Afectará esta radiación de forma importante al planeta que por otro lado parece bastante habitable? En el trailer no se les ve quitándose la escafandra en su superficie en ningún momento. Habrá que esperar a la película para ver si hay respuesta a estos interrogantes…

Actualización [31-10-2014]: WIRED publicó hace unos días un artículo sobre los desafíos que supuso recrear para la película la forma en que la luz se curvaría en torno a un agujero negro, con muchos detalles interesantes. No me gusta que parezca dar a entender que antes de crear los efectos de la película no se sabía qué apariencia tendría el agujero negro (¿como podría yo saberlo desde hace años, entonces?), pero incluye este vídeo con explicaciones y más imágenes del fenómeno:

Watch this on The Scene.