Primera imagen agujero negro explicada

El 10 de abril de 2019 se había anunciado que tendríamos la primera imagen de un agujero negro. Entre las 13 h UMT (15 hora peninsular española) y las 14 h UMT se trasmitieron en directo varias ruedas de prensa, de los distintos grupos de investigación que habían participado en el proyecto EHT. Al final se presentó la  “imagen” que se muestra debajo. Se informó que correspondía al superagujero negro que hay en el centro de la galaxia M87, que está a 55 millones de años luz de la Tierra. Fue una sorpresa pues esperábamos la de Sagitario A*, que está en el centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea,  a 26 000 años-luz de nosotros. ¿Por qué se ha obtenido la imagen de M87 y no la de Sagitario A*, que era el objetivo inicial?  Según explicaron la razón es que el agujero de M87 es más activo y es mucho mas másico que el nuestro. Su masa equivale a 6500 millones de veces la masa del Sol, 1500 veces mayor que la de Sagitario A*. Aunque M87 está mucho mas distante que Sagitario A* la señal que recibimos en la Tierra es similar. Además, la señal de Sagitario A* debe atravesar el disco de la galaxia, y se ve interferida por el polvo interestelar (los arboles impiden ver el bosque). En cualquier caso dijeron que están trabajando para disponer de una imagen de Sagitario A*.

Antes de comentar la imagen (que como veremos realmente son señales coloreadas para hacérnosla visible) debemos entender a qué corresponde.

En nuestra galaxia, y en el resto de las galaxias, probablemente hay muchísimos agujeros negros. Se estima que en nuestra galaxia hay algo menos de 1 agujero negro cada mil estrellas (quizás 100 millones de agujeros negros en toda la galaxia), pero probablemente todos ellos, salvo Sagitario A*, tienen su origen en la muerte de estrellas muy másicas que al final de sus vidas explotan y en su centro queda un agujero negro. El caso de Sagitario A* es distinto. Quizás se originó poco después del inicio del universo y tuvo un papel fundamental en la formación de nuestra galaxia. Sabemos que probablemente todas las galaxias cobijan un agujero negro de este tipo en su centro, algunos miles de veces mayor que Sagitario A, como es en M87, que es el que se ha presentado en la rueda de prensa.

Para entender cómo se llegó a la evidencia de que, en el centro de las galaxias, quizás en todas, hay un agujero negro veamos como estamos seguros que hay uno en el centro de la nuestra y sus características. Desde hace decenas de años se han ido fotografiando sistemáticamente las estrellas donde se suponía que estaba Sagitario A* . Se han observado que orbitan en torno a un punto (centro de masas) en el que no se ve nada, lo que era una evidencia clara de que allí debía estar un agujero negro.

Conocido los periodos orbitales y distancias de estas estrellas al agujero negro se pudo determinar que tiene una masa equivalente a 4,2 millones de masas solares. A partir de ello se dedujo que su radio es algo menor que el que hay desde el centro del Sol a la órbita de Mercurio. Se entiende por radio de un agujero negro la distancia que hay desde su centro al horizonte de sucesos, que se conoce como radio de Schwarzschild . El horizonte de sucesos puede entenderse como una esfera imaginaria (en el caso de agujeros en rotación la esfera no es perfecta, está achatada) que una vez atravesada nada sale, excepto la tenue radiación de Hawking, que es indetectable. Los agujeros negros pequeños (de pocas decenas de km) que proceden de estrellas muertas tiene una densidad media enorme (masa del agujero/volumen de la esfera que forma el horizonte de sucesos), sin embargo los agujeros negros galácticos, como Sagitario A* y el que está en el centro de M87, tienen una densidad promedio relativamente baja (muchos de ellos menor que la del agua) .

Sagitario A* es un agujero negro muy poco activo pues probablemente ha absorbido casi todo el gas que debió rodearlo hace miles de millones de años. Pero nuestro agujero negro no está muerto, en el sentido de que aún sigue absorbiendo el poco gas que le rodea. En ese proceso el gas se calienta y emite rayos X y que a su vez originan ondas de radio. Las ondas de radio pueden ser observadas desde la superficie de la Tierra por los radiotelescopios. De hecho, la primera evidencia de este agujero negro procedía de las ondas de radio que nos llegaban del centro de la galaxia.

Hace unos años se puso en marcha un proyecto conocido como Event Horizon Telescope (EHT) cuyo objetivo era obtener la imagen de Sagitario A* y de otros agujeros negros galacticos. Para ello se usaron 8 radiotelescopios (en algún caso como ALMA son grupos de radiotelescopios) que conjuntamente se comportan como un gigantesco radiotelescopio de superficie próxima a la que tendría el circulo inscrito en un meridiano terrestre. Una superficie tan grande era necesaria para poder resolver con suficiente detalle la sombra que proyecta el agujero negro sobre el fondo que hay detrás de él. Se compara la capacidad de resolución de este superadiotelescopio virtual (EHT) del tamaño de la Tierra con la de observar desde Madrid una pelota de gol en Moscú.

En los agujeros negros galácticos como Sagitario A* o el de M87 el gas envuelve al agujero negro a una distancia unas dos veces el radio de Schwarzschild. Además, la luz (fotones) que llega al agujero negro es curvada y este queda envuelto por una esfera caótica de fotones (parte de la luz que muestra la fotografia corresponde a la que hay detrás del agujero negro). Todo esto es consecuencia la Teoría General de la Relatividad. Lo que muestra la fotografía es la silueta circular oscura que el agujero negro proyecta sobre el fondo que es más brillante. El circulo oscuro del centro de la foto no corresponde al horizonte de sucesos, realmente lo que se nos muestra está algo más allá (aproximadamente 2.5 veces el radio del horizonte de sucesos). Aunque le llamamos fotografía propiamente no lo es, los datos de partida son una gigantesca tabla de datos (lo que en matemáticas se llama matriz) que corresponden a las señales milimétricas detectadas. Como la frecuencias milimetricas no son visibles (El ojo solo ve en el entorno de unos centenares de nanometos) lo que se ha hecho es asignarles un color visible que es lo que se nos muestra en la foto publicada. En palabras del presidente de EHT Science: “Si estamos inmersos en una región brillante, como un disco de gas brillante, esperamos que un agujero negro cree una región oscura similar a una sombra, algo predicho por la relatividad general de Einstein que nunca hemos visto antes, …. Esta sombra, causada por la inclinación gravitacional y la captura de luz por el horizonte de sucesos, revela mucho sobre la naturaleza de estos objetos fascinantes y nos permitió medir la enorme masa del agujero negro de M87″.

Los problemas técnicos han sido muy importantes. Como ya ocurrió con las ondas gravitacionales hace unas décadas estos se consideraban inabordables. La técnica para combinar todos los radiotelescopios es lo que se conoce como “interferometría de muy larga base” o VLBI que que permite observar un objeto con varios radiotelescopios como si se tratase de uno solo. Uno de los problemas más importante era sincronizar la información lo que ha requerido el empleo de relojes atómicos ultraprecisos, cada señal llevaba asociada el tiempo exacto en el que se tomó, conocido el instante exacto de cada señal estas se combinaban informaticamente. Además, los radiotelescopios no cubrían todo el espacio de ese circulo imaginario, ha sido necesario “rellenar” los espacios sin señal. es como disponer  trozos de una foto y reconstruir toda ella a partir de estos trozos. Según nos cuentan en sitio de EHT: Para darte una idea de cómo funciona [el relleno de zonas sin señal], puedes pensar en las mediciones que hacemos con los telescopios como las notas en una canción. Cada telescopio produce mediciones que corresponden al tono de una única nota. Si tuviéramos telescopios en cada punto del planeta podríamos oír todas las notas y escuchar una versión perfecta de la canción. Debemos reconocer la canción a partir de algunas pocas notas. Cada nueva observación representa una nota, y cada nota adicional va haciendo más clara la estructura de la canción”. El procesado de la señal ha requerido dos años para convertirlas en imágenes visibles, las señales se tomaron durante varios días de abril de 2017.

La imagen de M87 es la primera de un agujero negro, y esperan disponer de una primera imagen de Sagitario A* en unos meses. Los astrónomos esperan aprender mucho de las distintas imagenes, al observar cómo el agujero negro cambia con el tiempo (por ejemplo, al ser Sagitario A* mas pequeño el material que se arremolina alrededor de su horizonte de sucesos se mueve mucho más rápido que en M87), los astrónomos pueden aprender acerca de las características estables del agujero negro y observar cómo el material desaparece más allá del horizonte de sucesos. La propia forma del agujero negro (circulo perfecto y ovoide) nos indica si se trata de un agujero negro en rotación e incluso de la velocidad de rotación. La imagen de M87 presenta una pequeña simetría lo que indica que probablemente se trate de un agujero en rotación, técnicamente se conoce como agujeros de Kerr.

Si quieres aprender algo mas puedes escuchar AQUÍ la entrevista que mantuvimos en EUREKA con Jose Luis Fernández Barbón, especialista en agujeros negros de del CSIC y excelente divulgador. Si estas familiarizado con el tema los detalles se pueden encontrar en los cinco artículos publicados coincidiendo con la distribución de la foto a los que puedes acceder desde aquí. (Puedes encontrar un buen resumen en este post de Francisco R. Villatoro),

Una aclaración: una  versión previa de este post la envié a NAUKAS quien amablemente me la publicaron rápidamente.