La primera imagen de la sombra de un agujero negro


La primera imagen de la sombra de un agujero negro
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En 1915, hace más de cien años, Albert Einstein publicó su Teoría de la Relatividad General. Sus ecuaciones proporcionaron una nueva descripción geométrica para explicar los efectos de la gravedad. Einstein nos mostró que la estructura del espacio-tiempo –que combina las tres dimensiones del espacio con el tiempo– está distorsionada por la presencia de objetos de mucha masa (ver figura 1).

La descripción matemática de la fuerza gravitacional hecha por Newton establece que un cuerpo con masa atrae a otros cuerpos con masa. Ahora sabemos que son estas distorsiones a la geometría del espacio-tiempo las que definen el movimiento de las partículas, y la luz misma, a medida que viajan a través del Universo.
          Poco después, en 1916, un matemático alemán, Karl Schwarzschild, encontró una solución matemática exacta a las ecuaciones de Einstein que predijo la existencia de una singularidad: un punto infinitamente pequeño en el espacio que contiene una masa suficiente para deformar la geometría del espacio-tiempo tanto que se crea un volumen o un cuerpo cuya frontera se conoce como horizonte de eventos (Event Horizon); su tamaño, pensando que el volumen creado es esférico, estaría definido por el radio de Schwarzschild. Toda la materia dentro del horizonte de eventos inevitablemente caerá hacia la singularidad; por lo tanto, éste define una región del espacio de la que nada puede escapar, incluidos aquellos objetos que viajan a velocidades relativistas, alcanzando la velocidad de la luz y los fotones de la luz en sí.
          Es por esta razón que el horizonte de eventos crea una sombra oscura en el espacio: un agujero negro, la manifestación física de la predicción matemática que explica la existencia de singularidades en el espacio-tiempo.
          A pesar de que en los últimos 60 años la existencia de los agujeros negros ha sido ampliamente aceptada por los físicos y astrónomos, nunca se había podido observar uno directamente; la razón principal es que son objetos intrínseca y extremadamente pequeños.
          Por ejemplo, si comprimimos la Tierra, cuya masa es de 6 x 1024 kg, en un volumen lo suficientemente pequeño como para crear un agujero negro, su horizonte de eventos tendría sólo dos centímetros de diámetro. Del mismo modo, si comprimimos el Sol –con una masa de 2 x 1030 kg–, entonces su horizonte de eventos tendría, aproximadamente, 6 kilómetros de diámetro, el tamaño de una ciudad pequeña.
          En el caso de los agujeros negros más masivos del Universo –que se cree existen en los centros de la mayoría de las galaxias–, sus horizontes de eventos son proporcionalmente mucho más grandes. Existe evidencia para creer que un agujero negro supermasivo –con 4 millones de veces la masa de nuestro Sol– se encuentra en el centro de nuestra galaxia –la Vía Láctea–, oculto por grandes nubes de polvo y gas. Este objeto, conocido como Sgr A* ubicado a 25 mil años luz de distancia, tiene un horizonte de eventos igual al tamaño de la órbita de Mercurio, el planeta más cercano a nuestro Sol. Finalmente, el ejemplo más extremo es M87*, un agujero negro supermasivo con una masa 6 mil millones de veces la de nuestro Sol, enterrado en el núcleo de la galaxia elíptica gigante Messier 87 (M87), que a su vez es la galaxia dominante en el centro del cúmulo de Virgo, a una distancia de 55 millones de años luz. M87* tiene un horizonte de eventos equivalente a la dimensión de nuestro Sistema Solar.

Podemos ver la sombra de estos agujeros negros supermasivos perfilada contra la brillante emisión del plasma, un material increíblemente caliente que circula a velocidades relativistas alrededor del agujero negro, en órbitas estables o cayendo al interior, hacia su singularidad.
          El brillo del plasma es mayor en longitudes de onda milimétricas, para poder obtener una imagen de la sombra del agujero negro lo más nítida posible, se utilizan radiotelescopios que funcionan específicamente para observar este tipo de luz; además, una ventaja de la radiación milimétrica es que casi no se ve afectada por la presencia de electrones y iones en el camino.

Primero, es importante reconocer que la distorsión del espacio-tiempo –o distorsiones geométricas–, es tan fuerte cerca de estos objetos de masas tan extremas que capta, amplifica y cambia la dirección de la luz que rodea al horizonte de eventos; como resultado, el diámetro de la sombra es mayor que el radio de Schwarzschild.
          Existen modelos para agujeros negros estáticos y agujeros negros que giran –agujeros negros tipo Kerr–, en honor al científico que propuso su existencia. El tamaño esperado de la sombra dependería de si los agujeros negros son estáticos, o giran. En el caso de los agujeros negros estáticos, el diámetro de la sombra es, aproximadamente, cinco veces mayor que el radio de Schwarzschild. Por el contrario, el tamaño de la sombra de los agujeros negros giratorios es más grande o más pequeña según la dirección y la velocidad del giro del agujero negro. Se espera que todos los agujeros negros giren, entonces el tamaño de su sombra nos daría indicios sobre la alineación de su eje y dirección de giro con respecto a la rotación del plasma circundante y del disco de material que se forma a su alrededor.
          Teniendo en cuenta las masas y distancias respectivas a Sgr A* y M87*, en ambos casos su radio de Schwarzschild es de, aproximadamente, 10 micro segundos de arco, y el diámetro de la sombra del agujero negro es alrededor de 50 micro segundos de arco. Por lo tanto, al realizar las observaciones en longitudes de onda milimétricas (1.3 mm para ser más precisos), requerimos un telescopio gigantesco con un tamaño de 13,000 km, equivalente al diámetro de la Tierra, que proporciona una resolución de, aproximadamente, 20 micro segundos de arco, suficiente para hacer una imagen de la sombra de agujero negro supermasivo1.
          En abril de 2017, utilizando la técnica de imágenes de Interferometría de Línea de Muy Larga (VLBI, por sus siglas en inglés), la colaboración internacional del Telescopio del Horizonte de Eventos (EHT, por sus siglas en inglés) realizó las primeras observaciones simultáneas de Sgr A* y M87* con 8 telescopios de longitud de onda milimétrica –incluido el Gran Telescopio Milimétrico (GTM)– ubicados en México, Estados Unidos de América, Chile, Antártida, España y Francia. Los datos registrados por cada telescopio se sincronizaron con relojes atómicos de ultra alta precisión para que las señales combinadas pudieran generar las primeras imágenes del horizonte de eventos de los agujeros negros y, de esta manera, probar la Teoría de la Relatividad General en las condiciones más extremas del Universo.  
          Los primeros resultados de EHT se mostraron en ruedas de prensa simultáneas en todo el mundo, incluyendo una en el Conacyt, el 10 de abril de 2019, coincidiendo con la publicación de los primeros artículos científicos.

La primera imagen obtenida con el EHT del agujero negro supermasivo M87* está compuesta de un anillo de luz (más brillante en la parte sur que en la del norte), que rodea a una región central más oscura (figura 2).

Dicha región oscura corresponde a la sombra que produce el agujero negro, cuando captura la luz que atraviesa su horizonte de eventos. Esta sombra es precisamente lo que el EHT buscaba detectar, ya que su presencia revela, de forma directa, la existencia de la singularidad y el agujero negro en el centro de M87. La asimetría en la intensidad de la luz que se observa en el anillo se atribuye a un efecto conocido como amplificación Doppler relativista, y se interpreta como evidencia de que el material en la parte sur de la imagen se acerca a nosotros mientras que la región norte se aleja.
          Para interpretar la imagen de M87* en términos de modelos físicos detallados, el consorcio EHT desarrolló una biblioteca de decenas de miles de simulaciones teóricas que predicen la apariencia del entorno de un agujero negro supermasivo, así como las características del chorro de material que eyecta2. Estas simulaciones magneto-hidrodinámico-relativistas (GRMHD) exploran un enorme intervalo de parámetros físicos, como la masa, el momento angular del agujero negro en el centro de M87 –la dirección de rotación–, y las propiedades del plasma y campo magnético circundantes. A partir de un análisis estadístico detallado de la variedad de simulaciones, los modelos que incluyen un agujero negro giratorio son los que reproducen mejor las propiedades observadas del chorro M87. La imagen obtenida con el EHT demuestra que el material en su entorno gira en el sentido que lo hace el agujero negro mismo (con la parte sur moviéndose hacia nosotros, y la parte norte alejándose, como ya mencionamos arriba). El tamaño del anillo permite constreñir la masa del agujero negro, 6.5 miles de millones de veces la masa del Sol. Este valor concuerda con medidas independientes obtenidas al estudiar el movimiento de las estrellas en el centro de M87.
          En el último siglo se han realizado investigaciones que confirman que la Teoría de la Relatividad General de Einstein es correcta. La primera de ellas fue hecha por el astrónomo inglés Arthur Eddington, quien observó la desviación de la trayectoria de los rayos de luz que pasan cerca del Sol, hace casi exactamente un siglo. Recientemente el observatorio LIGO de ondas gravitacionales, el cual está diseñado para captar los efectos en el espacio-tiempo de colisiones entre objetos muy masivos en el Universo, como son agujeros negros o estrellas de neutrones, logró detectar la fusión de dos agujeros negros de masas comparables con estrellas individuales. Finalmente, las imágenes obtenidas por el EHT muestran la sombra producida por un agujero negro supermasivo giratorio Kerr. Todos estos resultados son consistentes con las predicciones teóricas detalladas y proporcionan la confirmación más sólida de la Teoría de la Relatividad General de Einstein en escalas muy distintas, desde estrellas medianas –como el Sol–, hasta agujeros negros supermasivos en los centros de galaxias enormes.  
          El Event Horizon Telescope ha abierto una nueva ventana a la física y la geometría del Universo y nos ofrece la primera oportunidad de estudiar directamente los efectos relativistas sobre la distorsión y la deformación del espacio-tiempo en presencia de los objetos masivos más compactos. La próxima serie de resultados del EHT, que incluirá las primeras imágenes de Sgr A* de las observaciones llevadas a cabo en 2017, y las observaciones repetidas de los mismos agujeros negros supermasivos en 2018 y, en el futuro, nos permitirán comprender con mayor detalle la naturaleza física de estos objetos, los más exóticos en el Universo.

La primera imagen de la sombra de un agujero negro
David Hughes

Es Investigador Titular D en la Coordinación de Astrofísica del Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE), miembro del Sistema Nacional de Investigadores Nivel 3 y de la Academia Mexicana de Ciencias. En 2010, recibió el Premio Scopus en Astronomía. Desde agosto de 2011, funge como Director e Investigador Principal del Gran Telescopio Milimétrico (GTM) Alfonso Serrano. Es co-descubridor de las galaxias submilimétricas. Sus principales líneas de investigación son la astronomía milimétrica, la cosmología observacional y experimental, la formación y evolución de las galaxias lejanas y los núcleos activos de galaxias. Es miembro de la Junta de Gobierno e investigador del Telescopio del Horizonte de Eventos. Correo e.: dhughes@inaoep.mx

Laurent Raymond Loinard

Es investigador en el Instituto de Radioastronomía y Astrofísica de la UNAM en Morelia, miembro del Sistema Nacional de Investigadores y coordinador del Posgrado en Astrofísica de la UNAM. Estudia diversos fenómenos astrofísicos usando, sobre todo, la técnica conocida como interferometría de larga línea de base, utilizada para obtener las primeras imágenes del agujero negro en M87. Su contribución principal al proyecto Event Horizon Telescope (EHT) fue encabezar el grupo de trabajo que supervisó la redacción, la evaluación y la publicación de los seis artículos donde se reportaron los primeros resultados en abril de 2019. Correo e.: l.loinard@irya.unam.mx

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