Nuevas imágenes de un agujero negro contienen pistas sobre misterios cósmicos

En el corazón de una galaxia gigantesca a 55 millones de años luz de distancia, un agujero negro con el peso de 6.500 millones de soles arroja una fuente de materia al cosmos casi a la velocidad de la luz. Utilizando una matriz llamada Event Horizon Telescope (EHT), los científicos aprovecharon las ondas de radio para capturar una foto de ese agujero negro, ofreciendo nuestro primer vistazo al entorno extremo cerca de su límite en 2019 . 

Dos años después, el equipo internacional que entregó la asombrosa imagen, junto con socios adicionales, ha publicado los resultados de una campaña de observación del 2017 que examinó simultáneamente la galaxia anfitriona, Messier 87, en múltiples longitudes de onda.

El informe, que aparece en The Astrophysical Journal, incluye datos de 19 observatorios terrestres y espaciales y ha sido escrito por más de 750 científicos. Describe una vista más completa del agujero negro supermasivo y su chorro masivo, lo que permite a los científicos observar bien cómo los campos magnéticos, las partículas, la gravedad y la radiación interactúan en las proximidades de un agujero negro supermasivo en múltiples escalas .

“Este es el fregadero de la cocina de la física, ¿verdad? Todo está ahí", dice Daryl Haggard de la Universidad de McGill  , quien ayudó a coordinar las observaciones de longitudes de onda múltiples. "Realmente estamos empezando a ver órbitas, estamos viendo justo al lado del agujero negro y sondeando este entorno exótico".

"Creo que este es uno de los artículos que realmente conecta a EHT con el resto de la comunidad. Es una muestra de lo que realmente debe hacer la instalación", agrega un miembro del equipo, Sera Markoff de la Universidad de Amsterdam. "Siento que esto está al principio de todo".

Ahora el equipo de EHT se encuentra en medio de una carrera de observación crucial de 12 días, la primera que han podido hacer desde el año 2018, debido a problemas técnicos y a la pandemia de coronavirus. Esta vez, la colaboración ha agregado tres nuevos telescopios a su séquito de observatorios, incluida una instalación en Groenlandia y nuevamente está escaneando el cielo en longitudes de onda que abarcan el espectro electromagnético, siempre que el clima coopere. 

"Es necesario tener un clima realmente bueno en todos los sitios", dice Monika Moscibrodzka de la Universidad de Radboud.   "Y cuantos más sitios tenga, menor será la probabilidad de buen tiempo en cada uno de ellos".

Un buñuelo cósmico

Los agujeros negros han estado entre los fenómenos astronómicos más intrigantes y convincentes durante más de un siglo, capturando nuestra imaginación con su física extrema y el hecho de que lo que entra nunca vuelve a salir. Pero estos sumideros cósmicos se han enfocado recientemente gracias a la imagen EHT, así como  gracias a los estudios ganadores del premio Nobel de objetos que se desplazan alrededor del agujero negro supermasivo en el núcleo de la Vía Láctea y una gran cantidad de información obtenida  viendo como los agujeros negros chocan entre sí.

“En los últimos años, pasamos de que los agujeros negros fueran ciencia ficción a que los agujeros negros fueran una realidad”, dice Marta Volonteri del Institut d'Astrophysique de París.

El Event Horizon Telescope en realidad comprende múltiples radiotelescopios diseminados por todo el mundo, desde Groenlandia hasta el Polo Sur, que actúan juntos como un observatorio del tamaño de la Tierra. Hacer estas imágenes del agujero negro supermasivo de M87 requiere combinar una enorme cantidad de datos, tantos datos que el equipo no puede transferirlos digitalmente y en su lugar tiene que dejar los discos duros en el correo. 

Cuando el equipo publicó su primera imagen en abril de 2019, los científicos se sorprendieron porque el objeto se veía casi exactamente como lo predijo una teoría centenaria.

La imagen de M87 ofreció la oportunidad de probar el modelo de 1915 de Einstein, la teoría de la relatividad general , que postula que lo que percibimos como gravedad emerge cuando la materia curva el tejido del espacio-tiempo. El entorno alrededor del corazón de M87 es intenso, un caos de extrema gravedad, campos magnéticos y partículas, lo que lo convierte en uno de los mejores lugares del universo para desafiar la relatividad general.

"Todo el mundo siempre está tratando de romper estas teorías, porque aprendemos mucho cuando encontramos una grieta en la armadura", dice Haggard. “Nos encanta romper modelos. Pero todavía no hemos logrado romper la relatividad general".

Mientras que la relatividad general volvió a prevalecer con M87 , la imagen de EHT se abrió camino rápidamente en la conciencia pública. La inteligente tira cómica XKCD se presentó al equipo varias veces  y superpuso el sistema solar sobre las fauces del agujero negro para mostrar su escala. Otros compararon su anillo brillante con el Ojo de Sauron de El Señor de los Anillos. Pero el debate más enérgico estalló sobre su parecido con la comida del desayuno.

"¿Es más como un bagel o una rosquilla?" Pregunta Volonteri.

Una actualización de esa imagen original, reunida por Moscibrodzka y sus colegas, resolvió la discusión el mes pasado: el agujero negro parece un buñuelo o una rosquilla ranurada. En la imagen más reciente, las firmas del campo magnético del agujero negro están superpuestas sobre el anillo brillante original, revelando un patrón suave y organizado que envuelve el enorme objeto. Moscibrodzka y sus colegas estudiaron partículas cargadas que trazan líneas de campo magnético para proporcionar una visión más detallada de las condiciones físicas extremas que rodean al agujero negro.

Dar color a un lugar del que nunca sale la luz

Ahora, como se informó en el nuevo estudio, las observaciones de múltiples longitudes de onda están coloreando aún más esa sabrosa imagen.

Los científicos esperan que estas observaciones combinadas ayuden a revelar la física que impulsa el gigantesco chorro de partículas que brota del núcleo de M87. El chorro se extiende por miles de años luz, se extiende a través de la galaxia y de alguna manera se lanza desde el charco de plasma abrasador, desde los campos magnéticos retorcidos y desde otra materia que gira alrededor del agujero negro.

Los científicos sospechan que tales chorros podrían ser responsables de una población de partículas cósmicas de energía extremadamente alta que llegan a nuestro vecindario, donde se conocen como rayos cósmicos. Aunque el sol sopla una burbuja protectora alrededor de gran parte del sistema solar, las partículas energéticas aún pueden deslizarse y algunas de las que chocan contra la atmósfera de la Tierra viajan a velocidades tan inmensas que no pueden haberse originado dentro de la Vía Láctea.

“Una de las preguntas principales que estamos tratando de investigar es de dónde provienen las partículas de alta energía”, dice Markoff. “¿Cómo se lanzan estos chorros, qué hay dentro de ellos y cómo se aceleran los rayos cósmicos de alta energía, que parecen provenir de chorros de agujeros negros? No puedes responder estas preguntas solo con EHT".

Con las nuevas observaciones, los científicos pueden comprender mejor el chorro, que emite luz en todas las longitudes de onda, desde ondas de radio hasta rayos gamma y ver si, de hecho, lanza materia al espacio a una velocidad que los aceleradores de partículas más grandes de la Tierra nunca podrían igualar.

Además, una mejor imagen de la anatomía del jet podría revelar algunas propiedades aún misteriosas sobre el agujero negro de M87, como qué tan rápido gira y en qué orientación. Esas mediciones ofrecerán pistas sobre cómo creció el agujero negro supermasivo y si en los últimos mil millones de años ha ganado masa principalmente por colisiones con otros agujeros negros supermasivos o por darse un festín con el gas circundante.

"En cierto sentido, el giro tiene una mejor memoria de cómo los agujeros negros crecen en masa que medir realmente la masa", dice Volonteri.

En el horizonte de la EHT

A medida que se desarrolla la campaña de observación de esta semana, los científicos vuelven a apuntar con sus telescopios a M87 para ver cómo podría haber cambiado. El agujero negro estaba en un estado inactivo y dormido durante la campaña de observación de 2017, lo que permitió al equipo ver directamente en su núcleo. Ahora, “tenemos mucha curiosidad por ver cómo evolucionará M87 en escalas de tiempo más largas; tenemos curiosidad sobre lo que obtendremos esta vez”, dice Moscibrodzka.

El equipo de EHT también está echando un vistazo al agujero negro supermasivo más cercano a casa: Sagitario A*, o SgrA*, que está aparcado en el corazón de la Vía Láctea. Con una masa equivalente a aproximadamente cuatro millones de soles, SgrA * es menos fuerte que el de M87, pero también está mucho, mucho más cerca de la Tierra y el EHT, a solo 25.600 años luz de distancia.

Sin embargo, nuestro agujero negro supermasivo residente también es más temperamental. Con frecuencia eructa y se enciende mientras devora material, a veces con arrebatos en el transcurso de una sola noche.  Esas fluctuaciones en la actividad son una de las razones por las que se tarda más en armar una imagen.

“Desde una perspectiva de observación, eso presenta muchos desafíos”, dice Haggard. "¿Cómo se crea una imagen estable de algo que varía todo el tiempo?"

Es un desafío difícil, pero una imagen de SgrA* está en el horizonte y pronto, con un montón de observaciones en la mano, estaremos muchos pasos más cerca de comprender los enigmas agitados que acechan en los corazones de las galaxias y crear algunos de los fenómenos más extremos del universo observable.