Una nueva imagen que muestra los campos magnéticos producidos al borde del agujero negro M87 fue revelada hoy por el proyecto Telescopio de Horizonte de Eventos (EHT, por sus siglas en inglés).
La fotografía en luz polarizada capta la “firma” de los intensos campos magnéticos que explican los chorros energéticos de materia y energía que lanza al espacio desde su centro la galaxia elíptica gigante llamada Messier 87 y que se observa como un faro en la oscuridad del Universo.
Hace dos años, el 10 de abril de 2019, se publicó la primera imagen de un agujero negro (M87), en la que se puede observar una sombra circular llamada singularidad y es tan obscura que nada, ni la luz, pueden escapar de él. Tiene forma de esfera rodeada de fotones y produce una luz rojiza-amarilla que es parte de un disco de energía y materia que gira alrededor del agujero llamado “disco de acreción”.
La zona más cercana al objeto masivo se conoce como “horizonte de eventos o sucesos”, de ahí el nombre del proyecto. Pero también cuenta con chorros de energía y materia que son expulsados a velocidades supersónicas y que se estiran a lo largo de miles de años luz.
En la primera imagen captada de M87 se puede observar un anillo de luz y materia alrededor de la sombra del hoyo, que giran a gran velocidad y desprenden materia y luz como si fuera un esmeril gigante que al cortar el metal por la fricción produce chispas. En la parte inferior la gota de luz es más intensa, es la energía y materia que se expulsa en dirección a la Tierra, y en la parte superior la luz es más tenue, es la que se aleja en dirección contraria.
La nueva imagen muestra una serie de ondas magnéticas que cruzan los chorros de energía y materia que son expulsadas en una vorágine constante girando alrededor del agujero negro supermasivo que se encuentra a 55 años luz de distancia de la Tierra y que tiene 6 mil 500 millones de veces la masa de nuestro Sol.
“La polarización de la luz transporta información que nos permite comprender mejor la física detrás de la imagen que vimos en abril de 2019, algo que antes no era posible”, señaló Iván Martí-Vidal, investigador de la Universidad de Valencia y coordinador de polarimetría del EHT. “Revelar esta nueva imagen en luz polarizada ha requerido años de trabajo debido a las complejas técnicas involucradas en la obtención y análisis de los datos”.
La técnica de polarización permite a los astrofísicos cartografiar las líneas de campo magnético que son energéticas y misteriosas y que se extienden a lo largo de cinco mil años luz desde el borde del agujero negro.
Estas observaciones y análisis proporcionan información nueva sobre las estructuras de los campos magnéticos que solo habían sido analizadas antes en modelos teóricos con gas fuertemente magnetizado.
Jason Dexter, de la Universidad de Colorado y coordinador del grupo de trabajo de teoría del EHT, señaló que estas observaciones sugieren que los campos magnéticos en el borde del agujero negro son lo suficientemente intensos como para retener el gas caliente y ayudarlo a resistir la atracción de la gravedad y que solo aquellas que se deslizan a través del campo puede girar en espiral hacia el horizonte de eventos y el espacio exterior.
Los resultados de esta observación se publican hoy en dos artículos en la revista The Astrophysical Journal Letters y en ella participó un grupo de 12 investigadores mexicanos del Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica y de la Universidad Nacional Autónoma de México.
Proyecto EHT y participación de México
El proyecto Telescopio de Horizonte de Eventos (EHT, por sus siglas en inglés) inició en 2017 con una colaboración científica internacional de 200 investigadores de 8 telescopios de varias partes del mundo, que constituyeron una red de telescopios ya existentes en cuatro continentes, incluido México, con los que se conformó una “antena virtual” del diámetro de la Tierra, para reunir la capacidad de captar la imagen de súper ultra alta resolución.
Estos objetos fueron predichos por primera vez por Albert Einstein en la Teoría General de la Relatividad, en 1915, y luego fueron estudiados por otros científicos como Karl Schwarzschild, Subrahmanyan Chandrasekhar, Kip Thorne y Stephen Hawking quienes aportaron conocimientos sobre algunas de las características de los hoyos negros (muchas se desconocen todavía).
Las observaciones del EHT utilizan una técnica llamada interferometría de línea de base muy larga (VLBI, por sus siglas en inglés), que sincroniza las instalaciones de los telescopios de todo el mundo y explota la rotación de nuestro planeta para formar un enorme telescopio virtual del tamaño de la Tierra que observa a una resolución angular de 20 microarcosegundos, suficiente para leer un periódico de Nueva York desde un café parisino.
La participación de México se lleva a cabo con mediciones del Gran Telescopio Milimétrico, construido en el Volcán Sierra Negra en Puebla, México. Su ubicación geográfica y el tamaño de su antena de 50 metros le permitieron contribuir de manera importante en la calidad de la imagen.
Además, forman parte de este proyecto el Atacama Pathfinder Experiment (APEX), Chile; el Gran Arreglo Milimétrico y Submilimétrico de Atacama (ALMA), del Observatorio Europeo Austral; el Telescopio IRAM de 30 metros de diámetro, España; el Telescopio James Clerk Maxwell (JCMT), Hawái, Estados Unidos; el Arreglo Submilimétrico (SMA), Maunakea, Hawái; el Telescopio Submilimétrico (SMT), Arizona, Estados Unidos; el Telescopio del Polo Sur (SPT), Antártida; y el Telescopio de Groenlandia (GLT), en Thule Air Base, Groenlandia, Dinamarca.
El año pasado, el proyecto EHT publicó el primer video del mismo agujero negro que muestra su tormentosa evolución a lo largo de diez años. Las imágenes muestran la gota de luz girando alrededor de M87, que cambia a lo largo de los años a medida que su gravedad agita el material a su alrededor.
¿Qué son los hoyos negros?
Son extraordinarios objetos cósmicos, los más densos y pesados que se conocen, pero de tamaño compacto. Hay varios tipos y en esencia poseen una gran fuerza gravitacional y magnética. Muchos se forman a partir de estrellas muertas y son conocidos como agujeros negros estelares, distribuidos a lo largo de las galaxias.
Las estrellas son gigantes bolas de gas caliente en cuyo interior ocurren reacciones termonucleares. Su fuerza gravitatoria las comprime, pero su gas las expande, por lo que la mayor parte de su vida transcurre en equilibrio hasta que cesa la reacción termonuclear. Entonces inicia su fin: sus capas externas son expulsadas (el 10% de su masa), produciendo una nebulosa, y las capas internas se colapsan y comprimen hasta formar una enana blanca inactiva que se enfría lentamente.
Esto ocurre con estrellas del tamaño y masa de nuestro Sol: se comprimen tanto hasta alcanzar casi el tamaño de la Tierra y terminan su vida como enanas blancas. Pero hay estrellas más grandes, de entre 1.4 y 3 veces el tamaño solar, que se convierten en estrellas de neutrones, casi tan densas como un agujero negro. Si esta compresión ocurriera con nuestro planeta, se convertiría en una esfera pesada de tan solo tres centímetros de diámetro, como una canica. Cuando tienen de 3 a 100 masas solares se convierte en agujeros negros de baja masa.
También hay aquellos de masa intermedia de entre cientos y cientos de miles de masas solares. Sin embargo, hay otro tipo de agujeros negros: los supermasivos. Habitualmente se encuentran en el centro de casi todas las galaxias y llegan a tener entre un millón y 10 mil millones de masas solares. Aún se desconoce su origen, pero posiblemente se formaron de muchas estrellas masivas transformadas en hoyos negros que se fusionaron hasta formar esos colosales objetos, o bien, se produjeron del colapso de una enorme nube de gas en el centro de las galaxias. Ese es, probablemente, el origen de M87 y del agujero negro en el centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea, llamada Sagitario.
Los agujeros negros son invisibles, pero la materia de estrellas o cuerpos cercanos es atraída y gira en su órbita. Los átomos de esos gases se empujan entre sí y friccionan a grandes velocidades, casi a la velocidad de la luz. Esa actividad calienta la materia a niveles extremos y emite energía, principalmente rayos X. Esas emisiones son las que se pueden observar con los radiotelescopios.
La imagen de la sombra del hoyo negro es lo más que podemos acercarnos al propio agujero negro. El M87 es un hoyo negro súpermasivo voraz, con 6 mil 500 millones de veces la masa de nuestro Sol y es más grande que el Sistema Solar y, aunque no emite luz, hasta ahora se sabía de su existencia por los efectos que causa en sus alrededores, es decir, por medios indirectos. Es muy activo y por ello se convirtió en el objeto ideal para ser captado con el EHT.
La imagen de los campos magnéticos de M87 que hoy se revelan confirman algunas de las predicciones teóricas de Albert Einstein en su Teoría General de la Relatividad pero además nos muestra la complejidad de estos objetos masivos con fuerzas gravitatorias y magnéticas intensas capaces de desviar la luz en un Universo curvo.
