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28 de Septiembre de 2020
Astrofísica

La primera imagen de un agujero negro es ahora una película

Las imágenes creadas a partir de viejas observaciones muestran una tormentosa evolución alrededor de ese oscuro vacío a lo largo de los diez últimos años.

Imagen del agujero negro supermasivo M87* obtenida por el Telescopio del Horizonte de Sucesos. [Event Horizon Telescope Collaboration]

La histórica primera imagen de un agujero negro, hecha pública el año pasado, se ha convertido ahora en una película. La breve secuencia de fotogramas muestra los cambios del entorno del agujero negro a lo largo de varios años mientras la gravedad agita el material que lo rodea en un torbellino permanente.

Las imágenes muestran un manchón de luz desigual que va moviéndose en el remolino que rodea al agujero negro supermasivo del centro de la galaxia M87. Para crearlas, un grupo de investigadores de distintas instituciones (la «colaboración» que se encarga de la red planetaria de observatorios que forma el Telescopio del Horizonte de Sucesos) ha desenterrado viejos datos relativos al agujero negro y los ha combinado con un modelo matemático, que se basa en la imagen publicada en abril de 2019, para mostrar cómo ha evolucionado el entorno del agujero en los últimos ocho años. Aunque depende en parte en conjeturas, el resultado les da a los astrónomos muchas ideas acerca del comportamiento de los agujeros negros, cuya intensa gravedad atrae hacia sus inmediaciones materia y luz.

«El flujo de materia que cae sobre el agujero negro es turbulento, y así vemos que el anillo vacila con el tiempo», dice el autor principal, Maciek Wielgus, radioastrónomo de la Universidad de Harvard, en Cambridge, Massachusetts.

El trabajo, que salió el 23 de septiembre en The Astrophysical Journal, ofrece un adelanto de lo que el equipo podrá hacer en el futuro cercano a medida que sus técnicas mejoren. «En unos años podría empezar a parecer una película de verdad», según Wielgus.

Un anillo vacilante

La imagen del agujero negro que la colaboración EHT hizo pública el año pasado salió en las portadas de los periódicos de todo el mundo. Retrataba a M87*, el agujero negro supermasivo situado en el centro de la galaxia M87, a unos 17 megapársecs de distancia (55 millones de años luz). Los investigadores construyeron la imagen combinando señales de radiofrecuencia captadas por observatorios de toda la Tierra en dos noches de abril de 2017. Este logro se ha comparado con llegar a distinguir desde la Tierra la forma de una rosquilla sobre la superficie de la Luna.

Aunque borrosa, la imagen concordaba con las predicciones de la teoría de la relatividad general enunciada por Albert Einstein relativas al aspecto de las inmediaciones de un agujero negro. En particular, les dio a los investigadores la primera prueba directa de la «sombra» de un horizonte de sucesos, la superficie más allá de la cual no se puede retornar que separa a un agujero negro de sus alrededores. Ese disco oscuro estaba definido por el anillo de luz que emite la materia supercalentada que se encuentra justo más acá del horizonte de sucesos.

Una serie de imágenes construidas a partir de datos observacionales y de modelos matemáticos muestra la evolución del agujero negro de la galaxia M87 entre 2009 y 2017 [Colaboración del Telescopio del Horizonte de Sucesos; gif compilado por Nature].

Llama la atención que un lado del anillo sea más brillante. Es lo que se esperaba, como consecuencia de una combinación de efectos en la compleja dinámica que se produce alrededor de un agujero negro. En particular, la materia que cae hacia esa «nada» gira en espiral a alta velocidad por fuera del ecuador del agujero negro y forma de ese modo un disco de acreción, como lo llaman los astrónomos. El aspecto desigual se debe en parte al efecto Doppler: en el lado del disco que rota hacia el observador, el movimiento de la materia intensifica la radiación, que parece entonces más brillante; en el lado que gira alejándose del espectador ocurre lo contrario.

Volver a los viejos datos

Basándose en esos resultados, Wielgus quiso volver atrás y fijarse en datos más viejos obtenidos también por los telescopios del EHT para ver si podría reinterpretarlos tomando la imagen de 2017 como guía. A medida que la red del EHT fue incorporando más observatorios, la calidad de las observaciones mejoró. En 2017, la colaboración comprendía ocho telescopios dispersos por todo el mundo, de Hawai y Chile a Europa, y alcanzó el nivel necesario para que el EHT produjese una verdadera imagen.

Los datos viejos constaban de cuatro lotes, correspondientes a 2009, 2011, 2012 y 2013; dos de ellos no estaban publicados. «Se los había  olvidado, hasta cierto punto, por lo emocionado que estaba todo el mundo con los datos de 2017», dice Wielgus. Con un grupo de otros investigadores del EHT reanalizó los datos y vio que casaban bien con los resultados de la campaña de 2017, incluyendo el disco oscuro y un anillo brillante. Y aunque los datos de los lotes de 2009-2013 no tenían por sí solos la resolución para crear imágenes, el equipo pudo generar imágenes sintéticas para cada uno de los años combinando los limitados datos de que se disponía con un modelo matemático del agujero negro basado en los datos de 2017.

Y resultó que lo así obtenido contenía más información que la esperada por Wielgus. Como la imagen de 2017, estas otras sintéticas mostraban que un lado del anillo brillaba más que el otro, pero la parte brillante se iba moviendo. Puede que la razón esté en que distintas regiones del disco de acreción se volviesen más brillantes o menos, y exageraran así el abrillantamiento Doppler o llegaran incluso a anularlo.

Disco dinámico

No se trataba de algo inesperado, dicen los autores: aunque el agujero negro M87* mismo no cambia de año en año, su entorno, sí. En una escala de unas semanas podrían unos campos magnéticos intensos agitar el disco de acreción y producir zonas más calientes que entonces orbitarán alrededor del agujero negro. En 2018, otro equipo dio pruebas de una masa de gas caliente que giró alrededor de Sagitario A*, el agujero negro central de la Vía Láctea, durante alrededor de una hora. Como M87*, cuya masa es 6500 millones de veces la del Sol, tiene más de mil veces el tamaño de Sagitario A*, el desenvolvimiento de la dinámica es más lento en su entorno.

La colaboración del EHT intenta observar M87* y Sagitario A* todos los años, a finales de marzo o principios de abril. En esos momentos es cuando resulta más probable que las condiciones meteorológicas sean buenas a la vez en los muchos emplazamientos de esa red. Ha habido que suspender la campaña de 2020 por las restricciones impuestas a causa de la COVID-19, pero el equipo espera tener otra oportunidad en 2021. Si todo va bien, se unirán a ese empeño más observatorios (en Groenlandia, en Francia).

El equipo espera también que en la campaña del año que viene se realicen sus primeras observaciones globales con radiación de longitud de onda más corta; ver esta a través de la atmósfera terrestre es más difícil, pero de esa forma se mejoraría la resolución de las imágenes del EHT. «Nos acercaríamos aún más a esa sombra de agujero negro y obtendríamos imágenes más nítidas», explica Sara Issaoun, del EHT y radioastrónoma de la Universidad Radboud de Nimega, en los Países Bajos.

Davide Castelvecchi / Nature News

Artículo traducido y adaptado por Investigación y Ciencia con permiso de Nature Research Group.

Referencia: «Monitoring the Morphology of M87* in 2009–2017 with the Event Horizon Telescope», de Maciek Wielgus et al., en The Astrophysical Journal, volumen 901, número 1.

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