La imagen imposible: el agujero negro en M87

“Mira a una estrella cualquiera en el cielo, en las mejores condiciones que puedas, y piensa que en el diámetro aparente de ese puntín, podrías encajar una tras otra 10.000 copias de la imagen del agujero negro de M87. Eso han logrado.» @AlbertoFdezSoto

Figura 1: Comparación del agujero negro de M87 y el Sistema Solar. Imagen del EHT. Fuente: NSF. Credits to Randall Munroe.

Con una pequeña edición para apreciar escalas mostrando el Sol, la órbita de Plutón y la distancia a la que se encuentra la sonda espacial Voyager 1, la imagen que encabeza este artículo (Figura 1) ha aparecido en los noticiarios de todas las cadenas de televisión del país, en periódicos, radio e infinidad de medios audiovisuales.

De forma muy resumida, lo que se ha captado son las inmediaciones del cuerpo supermasivo que se encuentra en el centro de la galaxia elíptica M87 de la constelación de Virgo. En las próximas líneas nos proponemos a explicar qué es lo que vemos en esa foto con esa particular forma de rosquilla.

La imagen se ha obtenido a través de una red de 8 radiotelescopios repartidos por todo el planeta conocida como el Telescopio Horizonte de Eventos (EHT de sus siglas en inglés), [1, 2]. Una de ellas es la antena de 30 metros de diámetro del Instituto de Radioastronomía Milimétrica (IRAM) situada en el Pico Veleta en Sierra Nevada, Granada.

Para empezar hay que entender dos cosas sobre esto, y es que un radiotelescopio no es un telescopio convencional con lentes o espejos, sino una antena parabólica como las de televisión, y no observa en el visible, sino en ondas de radio (1,3 mm de longitud de onda, unas dos mil veces mayor que la luz visible). La información que recogen las diferentes antenas permite reconstruir una imagen del objeto mediante una técnica conocida como VLBI (Very Long Base Interferometry). Esta se basa en la interferencia de imágenes de un mismo objeto recibidas con un cierto desfase temporal. Cada imagen se obtiene con un radiotelescopio situado en una ubicación distinta de forma que la imagen final del objeto que resulta del patrón de interferencias será similar a la de un solo radiotelescopio del tamaño de la separación máxima entre observatorios. Es decir, la resolución angular es mayor cuanto mayor es la separación máxima entre observatorios.

El EHT tenía como objetivos principales la galaxia M87 y Sagitario A* (Sgr A*). Este último es el agujero negro que se halla en el centro de nuestra galaxia. Observar objetos como Sgr A* requiere una resolución angular enorme. Para hacerse una idea se podría comparar con mirar a un cabello humano a 500 km de distancia y conseguir medirlo. El agujero negro de M87, pese a estar mucho más lejos que Sgr A*, tiene un tamaño angular algo mayor que este ya que es mucho más grande, pero aun así es necesario un esfuerzo titánico para observarlo. Es por ello que las antenas del EHT están distribuidas por todo el mundo puesto que de esa manera se logra una resolución de 20 microsegundos de arco (Júpiter, por ejemplo, tiene unos 50 segundos de arco, es decir, 2,5 millones de veces mayor).

Este despliegue de medios a escala mundial se hizo en 2017 con un único propósito: ser el primer instrumento en fotografiar el horizonte de sucesos de un agujero negro, algo que en teoría es imposible…

Y sin embargo, se ve

Todo el mundo ha oído hablar de los agujeros negros no ya en publicaciones técnicas sino en prensa, televisión o en el cine. Se sabe que es un objeto tan extremadamente masivo que curva el espacio a su alrededor de manera que ni la luz es capaz de escapar de él y de ahí su nombre. Y si no nos llega ninguna luz de él, ¿cómo es que lo podemos ver? Quizás con un vídeo se entienda directamente:

Simulación de disco de acreción alrededor de un agujero negro

Lo que muestra el vídeo es una simulación de lo que se llama un disco de acreción alrededor de un agujero negro. Este gas que orbita el agujero negro va cayendo y desaparece a través del horizonte de sucesos que es esa barrera a partir de la cual la luz ya no es capaz de salir. Pero antes de caer, la materia que contiene el disco de acreción alcanza velocidades de hasta el 10 % de la velocidad de la luz, se calienta a altas temperaturas y emite radiación. Esa es la rosquilla que podemos ver en la foto del EHT, y el hueco en el interior de la rosquilla es justamente la sombra del agujero negro. Es decir, lo que vemos no es el agujero negro en sí sino su sombra.

Un hito científico de consecuencias imprevisibles

Los agujeros negros se han instalado en el imaginario colectivo y aparecen en todo tipo de manifestaciones culturales desde hace ya bastantes años (véanse, por ejemplo, la película Interstellar de Nolan, el single “Black Hole Sun” de Soundgarden o el LP “Black Holes and Revelations” de Muse). Quizás una de las personas que haya hecho más por popularizar estos objetos astronómicos sea el físico teórico Stephen Hawking a través de sus famosos libros de divulgación como “Breve historia del tiempo”. En cierto modo se podría decir que la imagen de M87 no es la primera imagen de un agujero negro. Cygnus X-1 (ver Figura 3), que es probablemente el primer agujero negro descubierto, se lleva observando en rayos X desde hace varias décadas, las observaciones más recientes son del satélite Chandra de la NASA. Este es un sistema binario en el que un agujero negro arranca material de su compañera, una estrella masiva azul. El material forma un disco de acreción que rota y cae en el agujero negro o es disparado en forma de potentes jets (no todo el material que se acerca a un agujero negro cae en él). Esto es lo que puede verse en la imagen de la figura 3, que data de 2001 y fue tomada por el telescopio HERO, a bordo de una sonda estratosférica. Los primeros datos en rayos X que permitieron identificar este objeto como un agujero negro se obtuvieron, sin embargo, a través del satélite Uhuru en 1971, el mismo año en que Donald Lynden-Bell y Martin Rees propusieron la existencia del agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea Sgr A*, del que hablaremos más abajo.

EHT, un telescopio a escala planetaria. Créditos: ESO.

De hecho, el primer instrumento en aportar evidencias significativas de la existencia de un agujero negro en la galaxia M87 fue el telescopio espacial Hubble en 1994.

¿Cuál es entonces la trascendencia del descubrimiento realizado por el EHT?, ¿por qué tanto revuelo? El hito en sí es la imagen directa de un agujero negro y no del material que lo envuelve. Lo que se ve es el horizonte de sucesos (o la sombra de este como se mencionó más arriba) y el material que gira en torno a él. Desde un punto de vista científico este descubrimiento puede considerarse la enésima prueba de que la relatividad general es una teoría soberbia como explicación de la interacción gravitatoria. Eso sí, es una de las pruebas más difíciles de obtener (no me atrevería a decir la que más, teniendo en cuenta lo increíble de la detección de ondas gravitacionales) y da fe de la existencia de uno de los objetos más extraordinarios del universo.

La imagen concuerda con las predicciones teóricas pero un estudio detallado contrastando las observaciones con simulaciones numéricas complejas incluyendo ingredientes como la magnetohidrodinámica puede revelar, además, información física como el nivel de magnetización del agujero negro.

Figura 3: Imagen en rayos X de Cygnus X-1 tomada con el telescopio HERO a bordo de un globo aerostático. NASA

El análisis de los datos de M87 ha permitido, también, determinar la masa del agujero negro de 6500 millones de masas solares. Esto es posible ya que el tamaño del anillo de luz de un agujero negro viene determinado sólo por el cociente entre la masa y la distancia (de manera aproximada solo si es un agujero negro en rotación o de Kerr).

¿Qué más nos cuenta esta fantástica imagen sobre los agujeros negros? Podemos suponer que está en rotación ya que la parte inferior del disco es más brillante que la superior, lo que supone que hay una asimetría probablemente causada por la viscosidad del material al rotar.

En lo que se refiere a la dinámica de las galaxias, este descubrimiento pone de manifiesto la importancia de los agujeros negros supermasivos como responsables de la energía liberada en los núcleos galácticos activos (AGNs).

Por supuesto, la historia no termina aquí. Durante la campaña de observación de M87 por el EHT también se observó Sgr A* que, como se mencionó antes, es el agujero negro supermasivo en el centro de nuestra galaxia, y se puede considerar el objeto en torno al que el Sol y todas las estrellas de nuestra galaxia orbitan. En el caso del Sol tarda 250 millones de años en dar una vuelta completa, el cumpleaños solar o más bien llamado año galáctico.

Con 4.1 millones de veces la masa solar este objeto es mucho menos masivo que M87 y con una alta variabilidad temporal así que será imprescindible desarrollar nuevos algoritmos de procesado de imágenes para obtener una imagen similar a la obtenida en las observaciones de M87, y sobre esa variabilidad temporal queremos hablar ahora.

Supuestamente Sgr A* debía ser mucho más tranquilo que M87 y, sin embargo, el pasado mayo de 2019 este agujero negro aumentó enigmáticamente su brillo 75 veces. Estamos ante un evento completamente desconocido ya que hasta ahora el aumento de brillo medido no había llegado a la mitad de este. Una posible explicación de este fenómeno [3] es el acercamiento de la estrella S0-2, que tiene una órbita muy elíptica. Los resultados corresponden a un artículo recientemente publicado en la revista Science [4] en el que participan los investigadores del Instituto de Astrofísica de Andalucía Eulalia Gallego-Cano y Rainer Schoedel (para obtener información técnica sobre este evento pueden consultarse en abierto las referencias [5] y [6]).

Asimismo, en la obtención de la imagen del agujero negro de M87 varios astrónomos españoles han jugado un papel muy relevante, en especial José Luis Gómez, investigador del IAA que ha desarrollado uno de los tres algoritmos usados para la reconstrucción de las imágenes de la sombra del agujero negro en M87. El pasado 5 de septiembre a José Luis Gómez y a otros 5 investigadores españoles que participaron en el EHT, les fue concedido el premio Breakthrough en Física Fundamental [7]. En total son 347 los investigadores galardonados con el premio de 3 millones de dólares que es considerado el Oscar de las Ciencias.

Resumiendo, el EHT es una prueba del altísimo nivel de la investigación en astrofísica en España. Además, el futuro que le espera al EHT, y a la astronomía española con él, parece ser muy prometedor. Tres nuevas antenas se unirán a las 8 ya existentes durante el periodo 2018-2020: Greenland Telescope, IRAM NOEMA Observatory, Kitt Peak 12-m Telescope. Cuando se obtenga la primera imagen de Sgr A* se podrá contrastar con la de M87 y esto es probable que permita resolver enigmas como el de la formación de los agujeros negros supermasivos.

Como dice Andrea Ghez, astrónoma investigadora de la Universidad de California, la relatividad no puede explicar completamente la gravedad dentro de un agujero negro y en algún momento tendremos que lograr una teoría de la gravedad más completa que explique estos entornos extremos. Para ello es necesaria una disrupción tecnológica como la del EHT, que haga posible obtener evidencias originales y que podrían jugar un papel clave para lograr esa teoría universal.