En la sombra del agujero negro

La primera imagen de un agujero negro se ha hecho pública. Concretamente, se obtuvo la imagen de su sombra. De esto hace ya unos días, el 10 de abril. Junto al anuncio, se publicaron en la revista The Astrophysical Journal Letters una serie de 6 artículos científicos donde se detalla el «cómo se hizo» y la interpretación de los datos científicos. Podrán encontrar esos artículos en las referencias. Nunca una sombra tuvo tanto protagonismo…

Ahora les propongo que me acompañen en este viaje para conocer los precedentes, los motivos y cómo se obtuvo esa imagen que ha dado la vuelta al mundo convirtiéndose en un icono de la ciencia. También les hablaré de las conclusiones a las que podemos llegar. Otro tema que les trataré será lo ocurrido con los datos del otro agujero negro que está analizando el EHT, Sagittarius A *, aquél que se encuentra en el centro de nuestra galaxia. Comenzamos ese viaje. ¿Me acompañan?

Un rayo, el origen de todo

Todo comenzó en 1918. El astrónomo estadounidense Heber Curtis detectó desde el Observatorio de Lick que la galaxia M87 tenía «un curioso rayo recto aparentemente conectado con el núcleo por una delgada línea de materia». Ese rayo que detectó Curtis es un chorro de materia que emite radiación en todo el espectro electromagnético: desde las ondas de radio hasta los rayos gamma. Y además es extremadamente largo: unos 4.900 años luz de longitud.

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Imagen de la galaxia M87 con el chorro de material surgiendo de su núcleo || Créditos: NASA and The Hubble Heritage Team (STScI/AURA) (Ampliar).

Observaciones más recientes realizadas por radiotelescopios en configuración VLBI (Very Large Baseline Interferometer) a la frecuencia de 86 GHz revelaron que este chorro emerge del núcleo central de la galaxia (Hada, 2016). Por otro lado, no existe un consenso por parte de la comunidad científica para explicar el origen de la eyección del chorro. Se plantearon dos posibles escenarios:

  1. El chorro es un flujo que aprovecha la energía de rotación de un agujero negro.
  2. Se trata de un viento colimado magnéticamente a partir del disco de acreción de un agujero negro.

Por lo tanto, sea cual sea el escenario, todo apunta a que en el centro de M87 existe un agujero negro que, como veremos más adelante, es supermasivo. Según cálculos teóricos, este agujero negro supermasivo estaría rodeado de un disco de acreción ópticamente delgado y geométricamente extenso. Para hacernos una idea, el disco tendría una forma como de anillos de sistema planetario, salvando las distancias.

Un concepto: agujero negro

El concepto de agujero negro surge como una de las consecuencias de la Teoría de la Relatividad General de Albert Einsten, que fue publicada en 1915 y 1916. Algo que los caracteriza es que todos tienen un horizonte de sucesos. Esto es, un límite unidireccional en el espacio-tiempo. Cabe destacar lo de unidireccional porque lo que atraviese ese límite ya no podrá volver a salir, ni siquiera la luz. Sin embargo, la Teoría de la Relatividad General no solo proporciona evidencias de la existencia de agujeros negros. También nos ofrece herramientas para observarlos.

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Infografía que muestra las partes que componen un agujero negro || Créditos: ESO (Ampliar).

El horizonte de sucesos

El físico alemán Karl Schwarzschild dedujo en 1916 que el horizonte de sucesos tendría forma esférica y que envolvería al agujero negro. Calculó su tamaño y obtuvo un valor que conocemos como radio de Schwarzschild. Este valor depende directamente de la masa del agujero negro. A mayor masa, mayor tamaño del horizonte de sucesos.

Además, si bajo nuestra perspectiva parte del disco de acreción discurriese por detrás de un horizonte de sucesos extenso, esto es, provocado por un gran agujero negro, sufriría efectos relativistas perceptibles. En este caso, el potente campo gravitatorio del agujero negro curvaría la luz de tal forma que la «parte trasera» del disco de acreción quedaría desdoblado por el efecto de lente gravitatoria.

Esta parte trasera la apreciaríamos como una disco en forma de elipse externa al horizonte de sucesos. El grado de elipticidad dependerá del ángulo de inclinación del disco de acreción bajo nuestra perspectiva.

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Representación artística del agujero negro existente en el núcleo de la galaxia M87 || Créditos: ESO/M. Kornmesser (Ampliar).

El radio de captura de fotones

La teoría también nos dice que externamente al horizonte de sucesos e internamente al disco de acreción existe una zona denominada radio de captura de fotones. Del mismo modo que el horizonte de sucesos, el tamaño de este radio también depende directamente de la masa del agujero negro.

Entonces, cuando una onda electromagnéticas -cuya partícula portadora es el fotón- se aproxima a la distancia del radio de captura de fotones del agujero negro, pueden ocurrir tres cosas:

  1. Lo atraviesa y se dirige directamente al horizonte de sucesos, desapareciendo del universo observable.
  2. Escapa y se aleja del agujero negro.
  3. Es capturada en una órbita inestable.

Centrémonos en el último supuesto. Un observador lo suficientemente alejado de ese agujero negro vería que a una distancia del centro equivalente al radio de captura de fotones aparece un delgado aro de luz. Se le conoce como anillo de fotones y se produce a partir de las ondas electromagnéticas que quedan atrapadas en esa órbita inestable.

La sombra

Teniendo en cuenta la existencia de un agujero negro con un disco de acreción, y teniendo en cuenta la curvatura de la luz generada, la teoría nos dice que aparecería una sombra con forma de media luna. ¿Podríamos observarla? La respuesta es sí, mediante observaciones radioastronómicas de alta frecuencia en configuración VLBI.

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Infografía que muestra una simulación del flujo de salida (rojo brillante) de un agujero negro y las tres formas posibles de su sombra. Créditos: ESO / N. Bartmann / A. Broderick / C.K. Chan / D. Psaltis / F. Ozel (Ampliar).

Concretamente, se calculó que para observar la sombra de un agujero negro sería necesaria una observación en configuración VLBI a una longitud de onda de 1,3 mm, o lo que es lo mismo, 230 GHz. La línea de base debería ser del orden del diámetro de la Tierra. Así que para conseguirlo deberíamos operar con varios radiotelescopios dispuestos alrededor de toda la Tierra para conseguir esa línea de base.

Aparece la Colaboración EHT

Así que, observando a 230 GHz en configuración VLBI con una línea de base tan amplia como el diámetro de la Tierra seríamos capaces de resolver la sombra de un agujero negro. Por tanto podríamos observar la existente en el agujero negro del núcleo de la galaxia M87 y la existente en el que domina el centro de nuestra Vía Láctea, Sagittarius A *.

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Infografía de las distintas estaciones que componen el EHT || Fuente: Agencia SINC (Ver).

Para lograr tal objetivo se estableció la colaboración EHT (Event Horizon Telescope). De este modo se ha logrado alcanzar una línea de base de casi el diámetro de la Tierra. Esto hace que la resolución del EHT sea de unos 20 μas o microsegundos de arco.

Midiendo en μas

¿Cuánto es un μas? Se trata de una medida de ángulos. En este caso, nos dice el mínimo ángulo visual que podemos captar. Es decir, es la resolución angular a la que podemos llegar para observar algo. Una circunferencia tiene 360 grados. Si cogemos un ángulo de un grado y lo dividimos en 60 partes iguales, tenemos un minuto de arco. Ahora, si este minuto de arco lo volvemos a dividir en otras 60 partes iguales, tenemos un segundo de arco. Por último, si este segundo de arco lo dividimos entonces en un millón de partes iguales, es cuando tendríamos un microsegundos de arco.

Para comparar, el ojo humano trabajando a simple vista tiene una resolución de entre 1 y 2 minutos de arco. Esto es, resolver una separación de 30 – 60 cm a 1 Km de distancia. Con el EHT y sus 20 μas de resolución podríamos leer perfectamente este texto a 5.800 Km, esto es, la distancia de París a Nueva York.

Estimando la masa

Volviendo a M87 y analizando su dinámica estelar, los resultados observacionales sugieren la presencia de un agujero negro de masa comprendida entre 3.300 y 6.200 millones de veces la masa del Sol (Gebhardt, 2011; Walsh, 2013). Esto implica un agujero negro supermasivo con un horizonte de sucesos con el segundo tamaño angular más grande conocido después de Sagittarius A *.

En el agujero negro supermasivo de M87, el haz del EHT supone un tamaño de 3 a 5 veces el radio de Schwarzschild por lo que, potencialmente, se podrían resolver los efectos relativistas asociados a este agujero negro supermasivo. Y entre ellos captar la sombra del agujero negro.

Se deduce también que el anillo de fotones tendría un diámetro entre 4,8 y 5,2 veces el radio de Schwarzschild. La localización exacta de este anillo dependerá del giro del agujero negro siendo más interno cuanto más rápido gire. Por otro lado, el diámetro de la sombra será de entre entre 9,6 y 10,4 veces el radio de Schwarzschild según los modelos teóricos actuales.

Aparición de la sombra

No siempre se podría ver la sombra de un agujero negro. Según las teorías y modelos actuales, depende de tres factores que se deben de cumplir simultáneamente. Estos son:

  1. Debe haber un número suficiente de fotones emitidos.
  2. La emisión debe proceder de un lugar lo suficientemente cercano al agujero negro para apreciar una lente gravitatoria a su alrededor.
  3. El plasma circundante debe ser lo suficientemente transparente en la longitud de onda observada.
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Simulaciones de los distintos tipos de sombra que puede generar un agujero negro || Fuente: ScienceNews (Ver).

Simulaciones de GRMHD (Magnetohidrodinámica de Relatividad General, por sus siglas en inglés) muestran que la emisión procedente del núcleo de M87 la percibimos con un efecto Doppler debido a que el material gira rápidamente cerca del agujero negro. Este giro daría como resultado una notable asimetría del brillo de la imagen en las zonas próximas al anillo de fotones.

Un laboratorio llamado M87

Con todo esto, la galaxia elíptica gigante M87 nos proporciona un laboratorio ideal para buscar la sombra del agujero negro. Está relativamente cerca, 53,49 millones de años luz. Sin embargo, los estudios previos no contaron con una resolución suficiente para demostrar formalmente la existencia de un agujero negro supermasivo.

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Visión general de la galaxia M87 donde se ve claramente el núcleo y el halo que lo rodea || Créditos: Chris Mihos (Case Western Reserve University)/ESO (Ampliar).

Aunque las predicciones del anillo de fotones y la sombra son claras, la morfología de la imagen dependerá del origen físico de la emisión circundante y de la deformación del espacio-tiempo alrededor del agujero negro.

Además, si la radiación observada a 1.3 mm se origina lejos del agujero negro, tanto el efecto de lente gravitatoria como la sombra deberían ser débiles. Si, por el contrario, la emisión proviene de cerca del horizonte de sucesos, se observará una imagen compacta de la sombra en forma de anillo o de media luna.

Observaciones y datos reales de M87 *

Ahora es cuando dejamos atrás las simulaciones y vamos con los datos reales obtenidos con el EHT. Las primeras observaciones tuvieron lugar en 2009 y 2012. Con ellas lograron detectar una emisión compacta con un tamaño estimado en unos 40 μas. Sin embargo, debido a que el interferómetro todavía estaba en sus inicios y no estaba compuesto por las antenas que lo componen actualmente, su cobertura era limitada. Es por ello que aquellos primeros experimentos no pudieron sintetizar una imagen coherente de la zona central de M87.

Años más tarde, en 2017, el EHT realizó una campaña de observación utilizando ocho estaciones en seis sitios geográficos. Fue la primera vez que el array de radiotelescopios de ALMA (Atacama Large Millimeter-submillimeter Array) participaba en el proyecto. Lo hacía con 37 radiotelescopios que actuaban como un solo radiotelescopio de 73 metros de diámetro. Esto aumentó significativamente la sensibilidad de toda la matriz global del EHT. Las observaciones tuvieron lugar los días 5, 6, 10 y 11 de abril.

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Las ocho estaciones que captaron la imagen del agujero negro || Créditos: EHT Collaboration (Ampliar).

Los datos que lo cambiaron todo

Esos cuatro días de observación cambiaron la Historia de la Ciencia. En esas observaciones fue cuando se obtuvo la alta resolución necesaria para resolver las escalas de horizonte de sucesos para M87. Esas observaciones revelaban la presencia de una estructura anular asimétrica que se corresponde con la forma de la sombra del agujero negro. Esto además nos indica por si morfología que el material alrededor del horizonte de sucesos gira a gran velocidad.

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Arriba: Imagen del agujero negro supermasivo de M87* tomada el 11 de abril de 2017. Abajo: Imágenes de la misma campaña que pretende representar la estabilidad de la imagen con el paso de los días || Créditos: EHT Collaboration (Ampliar).

La imagen obtenida, imagen que ya habrá visto en multitud de sitios, muestra la sombra del agujero negro en forma de anillo de unos 42 μas de diámetro. Destaca sobre todo el intenso brillo que aparece en la zona sur con un contraste de 10:1. En base a esa imagen, también se cree que el giro del agujero negro apunta hacia nosotros y que se produce en el sentido de las agujas del reloj.

En líneas generales, la morfología de la media luna, la rápida caída del flujo hacia el interior y la amplia consistencia a lo largo de los días de observación, apuntan a que la estructura de emisión de M87 se debe a un fuerte efecto de lente gravitacional alrededor de un agujero negro central.

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Promedios de las imágenes de M87 para cada uno de los cuatro días de observación tras restaurarlas a una resolución equivalente. El haz indicado es de 20 μas || Créditos: EHT Collaboration (Ampliar).

La metodología de la adquisición de datos

Las imágenes se tomaron de tal forma que se repartieron en cuatro equipos independientes. Cada equipo utilizó su propio criterio para producir una imagen final. Siempre sin tener constancia ni de las imágenes finales ni de los métodos de los tres equipos restantes.

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Cronograma de la observación del agujero negro de M87 y del quasar 3C 279. Los rectángulos vacíos representan observaciones canceladas debido al clima, sensibilidad insuficiente o problemas técnicos. Los rectángulos rellenos representan detecciones disponibles en el conjunto de datos final || Créditos: EHT Collaboration (Ampliar).

Cuando se compararon las cuatro imágenes, el resultado fue sorprendentemente similar: en las imágenes aparecía el ya famoso anillo brillante de unos 40 μas con un aumento de brillo en la zona sur. Este resultado es coherente con la existencia de la sombra de un agujero negro supermasivo de unos 6.500 millones de veces la masa del Sol en el núcleo de M87.

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Primeras imágenes de M87 reconstruidas a ciegas de manera independiente por los cuatro equipos. Las imágenes de los Equipos 1 y 2 utilizaron métodos RML (sin haz de restauración); las imágenes de los Equipos 3 y 4 usaron CLEAN (restauradas con un haz circular de 20 μas, que se muestra en la parte inferior derecha) || Créditos: EHT Collaboration (Ampliar).

Reconstrucción de las imágenes

Y una vez que tenemos las imágenes por separado, ¿cómo se reconstruye la imagen final producida por el EHT? Tras corregir los posibles errores residuales de la base de tiempos, se aplicaron los modelos teóricos conocidos.

Además, dado lo inédito de lo que se pretendía observar, en el procesamiento de las imágenes se usaban procedimientos imparciales con la condición de que lo representado fuese algo reproducible y además, todo el proceso estuvo sujeto a una extensa revisión.

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Arriba: Tres imágenes del 11 de abril modeladas mediante GRMHD con diferentes parámetros de giro y flujos de acreción. Abajo: los mismos modelos teóricos, procesados mediante VLBI || Créditos: EHT Collaboration (Ampliar).

Finalmente, los análisis de los resultados mostraron de manera inequívoca que en M87 existe una estructura de emisión compacta a una escala de unas pocas decenas de μas. Concretamente, ese anillo asimétrico con una depresión central en cuanto al brillo nos proporciona una excelente descripción estadística que confirman esa fuente dominada por la lente gravitacional que rodea la sombra del agujero negro.

El futuro del EHT

Observaciones futuras probarán la estabilidad, forma y profundidad de la sombra con mayor precisión. La forma y tamaño de esta sombra debería permanecer constante con el tiempo ya que no se espera que la masa de M87 * cambie sustancialmente en escalas de tiempo humanas.

Para ello será necesario tomar imágenes con una mayor resolución, es decir, a una mayor frecuencia. Esto se conseguirá agregando más telescopios al array y, tal vez, situando algunos de ellos en el espacio para aumentar la línea de base.

De momento, en 2018 se unió el Greenland Telescope, lo que amplió en gran medida la cobertura para las fuentes del hemisferio norte, como M87. Está previsto que se unan el telescopio Kitt Peak de 12 m en Arizona (Estados Unidos) y el Northern Extended Milimeter Array (NOEMA) en el observatorio Plateau de Bure (Francia).

¿Qué ocurre con Sagittarius A *?

El otro agujero negro objetivo del EHT, Sagittarius A *, tiene una masa tres órdenes de magnitud menor que el de M87, esto es, de 1 a 9 millones de masas solares. Aunque sea más pequeño, también se considera supermasivo. El hecho de que esté más cerca lo sitúa como el agujero negro de mayor tamaño angular visible desde la Tierra. Y también ha sido analizado por el EHT. ¿Qué ha ocurrido?

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Zona de Sagittarius A *, donde se encuentra el agujero negro supermasivo de nuestra galaxia || Créditos: NASA/CXC/MIT/F. Baganoff, R. Shcherbakov et al. (Ampliar).

Si el agujero negro supermasivo de M87 presenta variaciones con escalas de días, el de Sagittarius A * tiene una variación con escalas de minutos. Por lo tanto, para observar la sombra de Sagittarius A * habrá que tener en cuenta esta variabilidad porque usando los mismos métodos que para M87 no ha sido posible debido a los cambios tan rápidos en la estructura.

¿A qué conclusiones podemos llegar?

Con todo lo acontecido a raíz de mostrar la primera imagen directa de un agujero negro, se pueden sacar conclusiones. Ustedes tendrán las suyas propias. Yo les ofrezco las mías:

Colaboración internacional

En primer lugar, construir las instalaciones del EHT desde cero hubiese resultado inviable para cualquier potencia mundial. El hecho de aprovechar instalaciones ya existentes y, lo más importante, la colaboración internacional, ha sido clave para llegar donde hemos llegado.

De la teoría a la realidad de la sombra

También es interesante destacar que a raíz de esta imagen, hemos transformado un concepto matemático en una realidad física. Ahora tenemos un laboratorio llamado «núcleo de M87» donde podemos estudiar y reprobar el entorno de un agujero negro supermasivo con todas sus características.

Análisis independientes e imparciales

En cuanto a la forma de analizar los datos, nos ofrece la certeza de que la interpretación debe ser muy similar a lo que ocurre en la realidad. Esto es así porque los datos finales se estudiaron de manera independiente por cuatro equipos. Así, los resultados fueron imparciales y, si las teorías y modelos eran correctos, las imágenes obtenidas deberían ser similares, como así fue.

Ahora falta esperar nuevos datos obtenidos de una nueva tanda de observaciones, y si la resolución ha aumentado, podremos ver más detalles de la morfología de ese agujero negro gigantesco que domina el núcleo de M87.

Referencias

  • EHT Collaboration (2019-1). «First M87 Event Horizon Telescope Results. I. The Shadow of the Supermassive Black Hole». The Astrophysical Journal Letters, 875 : L1. DOI: 10.3847/2041-8213/ab0ec7 (Ver) (PDF). 
  • EHT Collaboration (2019-2). «First M87 Event Horizon Telescope Results. II. Array and Instrumentation». The Astrophysical Journal Letters, 875 : L2. DOI: 10.3847/2041-8213/ab0c96 (Ver) (PDF).
  • EHT Collaboration (2019-3). «First M87 Event Horizon Telescope Results. III. Data Processing and Calibration». The Astrophysical Journal Letters, 875 : L3. DOI: 10.3847/2041-8213/ab0c57 (Ver) (PDF).
  • EHT Collaboration (2019-4). «First M87 Event Horizon Telescope Results. IV. Imaging the Central Supermassive Black Hole». The Astrophysical Journal Letters, 875 : L4. DOI: 10.3847/2041-8213/ab0e85 (Ver) (PDF).
  • EHT Collaboration (2019-5). «First M87 Event Horizon Telescope Results. V. Physical Origin of the Asymmetric Ring». The Astrophysical Journal Letters, 875 : L5. DOI: 10.3847/2041-8213/ab0f43 (Ver) (PDF).
  • EHT Collaboration (2019-6). «First M87 Event Horizon Telescope Results. VI. The Shadow and Mass of the Central Black Hole». The Astrophysical Journal Letters, 875 : L6. DOI: 10.3847/2041-8213/ab1141 (Ver) (PDF).
  • eso1907 (2019). «Astronomers Capture First Image of a Black Hole». ESO Science Release (Ver).
  • eso1907es (2019). «Un equipo de astrónomos capta la primera imagen de un agujero negro» ESO Comunicado Científico (Ver).
  • Gebhardt, K. et al (2011). «The Black Hole Mass in M87 from GEMINI/NIFS Adaptative Optics Observations». The Astrophysical Journal, 729 : 119. DOI: 10.1088/0004-637X/729/2/119 (Ver) (PDF).
  • Hada, K, et al (2016). «High-Sensitivity 86 GHz (3.5 mm) VLBI Observations of M87: Deep Imaging of the Jet Base at a Resolution of 10 Schwarzschild Radii». The Astrophysical Journal, 817 : 131 DOI: 10.3847/0004-637X/817/2/131 (Ver) (PDF).
  • Sacristán, E. (2018). «Guía sencilla para entender la foto del agujero negro». Agencia SINC (Ver).
  • Walsh, J. et al (2013). «The M87 Black Hole Mass from Gas-Dynamical Models of Space Telescope Imaging Spectrograph Observations*». The Astrophysical Journal, 770 : 86. DOI: 10.1088/0004-637X/770/2/86 (Ver) (PDF).

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