Alrededor de los agujeros negros, la relación entre una fotografía y el tiempo se desmorona. Debido a la curvatura extrema del espaciotiempo causada por la gravedad de estos objetos, una sola imagen puede combinar luz que abandonó su fuente en momentos diferentes antes de finalmente alcanzar al observador, según explica la investigación de Daniel Rojas-Paternina y Alejandro Cárdenas-Avendaño.

Normalmente, una fotografía se trata como un registro de un único instante. Ya sea una instantánea que preserva tus recuerdos más felices o una exposición larga que rastrea el barrido lento de las estrellas a través del cielo nocturno, una fotografía tiene una relación directa con el tiempo. Sin embargo, alrededor de los agujeros negros, esta relación se complica fundamentalmente.

"Un punto de partida útil es una fotografía ordinaria", explicó Cárdenas-Avendaño a ScienceAlert. "Una cámara registra fotones que llegan al detector durante una exposición corta. Esos fotones no abandonaron todos el objeto exactamente al mismo tiempo. Pero como la velocidad de la luz es tan grande, normalmente tratamos la fotografía como un registro de un instante".

Hasta la fecha, los científicos han logrado fotografiar dos agujeros negros supermasivos: M87* en una galaxia distante y Sgr A* en el corazón de la Vía Láctea. Sin embargo, las imágenes no muestran los agujeros negros en sí, sino una sombra oscura rodeada por un halo naranja brillante. Este halo proviene de un torbellino de gas sobrecalentado que gira alrededor del agujero negro en un disco de acreción, brillando lo suficientemente intenso como para ser fotografiado desde decenas de millones de años luz de distancia.

La gravedad de un agujero negro puede doblar la luz muy fuertemente. Algunos fotones pueden tomar caminos casi directos hacia nosotros, mientras que otros pueden dar vueltas alrededor del agujero negro antes de alcanzar el detector. Esto significa que los fotones que llegan en el mismo fotograma de imagen pueden haber abandonado el gas emisor en momentos diferentes.

Los investigadores han identificado dos modelos principales para entender cómo viaja la luz alrededor de agujeros negros: el modelo de "luz rápida" y el modelo de "luz lenta". Estos términos no se refieren a cambios en la velocidad fundamental de la luz en el vacío, que permanece como una de las constantes fundamentales del universo, sino a cómo se modela el viaje de la luz alrededor de un agujero negro.

El modelo de luz rápida trata las observaciones de agujeros negros de la misma manera que tratarías una foto de tu perro, ignorando las pequeñas diferencias en cuándo esos fotones comenzaron sus viajes. La luz del hocico puede haber sido emitida ligeramente más tarde que la luz de la cola, pero la aceptas como un único instante. Este modelo es computacionalmente más simple y rápido.

El modelo de luz lenta, por otro lado, mantiene intactos esos retrasos de tiempo. "En luz rápida, se toma una instantánea del flujo de acreción y se la fotografía. Luego se pasa a la siguiente instantánea y se repite el proceso", explicó Cárdenas-Avendaño. "En luz lenta, incluso un fotograma de imagen puede requerir muchas instantáneas del flujo de acreción, porque diferentes píxeles corresponden a diferentes tiempos de emisión". Sin embargo, esta información de retraso de tiempo viene a un costo computacional significativamente mayor.

Estudios previos habían sugerido que la aproximación de luz rápida era lo suficientemente precisa para muchas observaciones. Si el disco de acreción brillante no cambia realmente mucho de un momento a otro, no importaría realmente si un fotón se emitió un poco más tarde que otro, esencialmente seguirías mirando la misma escena. Pero imagina que el gas turbulento parpadea violentamente, con nudos y remolinos corriendo alrededor del flujo. En un solo fotograma, podrías estar mirando fotones de antes y después de un destello; de repente, esa diferencia de tiempo importa mucho.

El problema se reduce a una competencia entre dos relojes: qué tan rápido cambia el gas brillante y qué tan ampliamente separados están los tiempos de viaje de los fotones.

Para cerrar la brecha entre luz rápida y luz lenta, los investigadores introdujeron un término medio que llaman "luz ágil", que no es completamente rápida ni completamente lenta. "Luz rápida colapsa toda la imagen a un tiempo de fuente. Luz lenta mantiene el mapa completo de retraso de tiempo en toda la imagen. Luz ágil es una prescripción intermedia", dijo Cárdenas-Avendaño. "Mantiene la estructura dominante de retraso de tiempo mientras reduce el costo computacional en relación con la luz lenta completa. En algunos casos, se aproxima al resultado de luz lenta sin requerir el gasto completo".

La buena noticia es que no necesitamos volver a la mesa de dibujo con esas imágenes icónicas de M87* y Sgr A*. Esos agujeros negros fueron observados desde ángulos donde la aproximación de luz rápida aún funciona para las imágenes producidas por el Telescopio del Horizonte de Eventos.

El verdadero beneficio puede llegar con la próxima generación de observatorios de agujeros negros, que tienen como objetivo operar en regímenes donde el tiempo de luz rápida puede dar una imagen que se vea correcta, pero que aún tenga la información de tiempo incorrecta. La señal del anillo de fotones está dominada no por el material de acreción que fluye, sino por la geometría del espaciotiempo alrededor del agujero negro. Debido a que el anillo está formado por fotones que toman diferentes caminos alrededor del agujero negro, preservar esos retrasos de tiempo ocultos se vuelve mucho más importante.

"No estaríamos viendo el flujo de acreción en un único instante. Cada fotograma combinaría luz emitida en varios momentos diferentes", señaló Cárdenas-Avendaño. "En ese sentido limitado pero preciso, una película de agujero negro es más extraña que una película ordinaria".

Actualmente, la colaboración del Telescopio del Horizonte de Eventos está trabajando para hacer una película de M87*. Estamos lejos de observaciones nítidas y detalladas de los procesos alrededor de un agujero negro, pero estamos más cerca que nunca de ver uno en acción. Cuando llegue ese día, cada fotograma será mucho más de lo que parece: una máquina del tiempo que revela múltiples momentos del historial reciente de uno de los regímenes de espaciotiempo más extraños del universo.