24 de Marzo de 2021
Agujeros negros

Una nueva imagen de un agujero negro

La colaboración EHT obtiene las primeras imágenes en luz polarizada de un agujero negro. El hito permite reconstruir el campo magnético en las inmediaciones del objeto y aporta pistas clave para entender cómo se comporta la materia caliente que lo rodea.

Primera imagen en luz polarizada de las inmediaciones del agujero negro supermasivo de la galaxia M87, situada a 55 millones de años luz de distancia. El anillo de luz está generado por la materia caliente que rodea al objeto; las líneas indican la orientación de la polarización. [Colaboración EHT]

Poco a poco, los agujeros negros están dejando de ser los objetos eminentemente teóricos que fueron en el pasado para convertirse cada vez más en astros «de carne y hueso» sobre los que empiezan a acumularse las observaciones empíricas minuciosas. El Telescopio del Horizonte de Sucesos (EHT, por sus siglas en inglés), la colaboración internacional que en 2019 logró la primera imagen detallada de un agujero negro, ha publicado ahora otro primer plano del coloso supermasivo que ocupa el centro de la galaxia M87. En esta ocasión, la imagen muestra la luz polarizada que rodea al objeto; es decir, aquellas ondas luminosas cuyo campo electromagnético vibra en una dirección bien definida.

Esos datos de polarización son importantes ya que permiten inferir la estructura del campo magnético en las inmediaciones del agujero negro, un aspecto clave para entender el proceso por el que el objeto engulle materia y el mecanismo que le permite expulsar potentes chorros de material al espacio intergaláctico. Los resultados se presentan en dos artículos (sobre la polarización de la luz y sobre la estructura del campo magnético) en la revista The Astrophysical Journal Letters.

M87 es una galaxia elíptica relativamente cercana a la Tierra que, como casi todas las grandes galaxias, alberga en su centro un agujero negro supermasivo. En este caso, el astro presenta una masa de varios miles de millones de masas solares y un tamaño equiparable al del sistema solar. La imagen que saltó a la fama en 2019 mostraba un anillo de luz brillante alrededor de una oquedad central. Ese hueco, que no coincide con el horizonte de sucesos del agujero negro, se conoce como «sombra»: una región unas dos veces mayor que el horizonte pero donde gravedad es ya tan intensa que la mayoría de los rayos de luz siguen órbitas que caen en espiral hacia el astro, lo que efectos prácticos marca el límite de observación desde el exterior.

El anillo luminoso que se ve en la imagen está generado por el disco de material caliente que rodea al agujero negro. Lo que ahora han conseguido los investigadores es «filtrar» dicha luz para estudiar su polarización. Los datos muestran que solo una región del anillo presenta una polarización significativa, donde la fracción de luz polarizada asciende a un 15% del total. Junto con los datos concernientes a la dirección de la polarización, estos resultados han permitido inferir la estructura del campo magnético en las inmediaciones del astro.

«La baja intensidad relativa de la emisión polarizada nos dice que el campo magnético es principalmente turbulento», explica José Luis Gómez, investigador del Instituto de Astrofísica de Andalucía y miembro de la colaboración EHT. «La zona sur del anillo presenta una mayor intensidad de emisión polarizada, lo que sugiere que en esa zona el campo magnético tiene un mayor grado de ordenamiento.»

Contrariamente a lo que cabría pensar, la dinámica de la materia que rodea a un agujero negro no está determinada únicamente por la gravedad. El material circundante, muy caliente, se encuentra en forma de plasma fuertemente magnetizado, y sus interacciones dictan en parte cuánta materia acabará engullida por el agujero negro y qué fracción se verá expelida en forma de gigantescos chorros de partículas a velocidades muy próximas a la de la luz. Esos chorros relativistas, expulsados desde los «polos» del objeto en ambos sentidos, se llevan observando desde hace décadas en numerosos agujeros supermasivos y constituyen una de las principales características de estos astros.  En el caso de M87, se extienden a distancias de hasta 5000 años luz, mucho más allá de la propia galaxia que alberga el objeto.

Recreación artística del agujero negro de la galaxia M87, el material circundante y uno de los chorros de partículas relativistas expelidos desde los «polos» del astro. [ESO/M. Kornmesser]

En la actualidad existen varios modelos para explicar la dinámica del plasma en las inmediaciones de un agujero negro y la emisión de chorros relativistas. Al medir la polarización de la luz y deducir a partir de ella la estructura del campo magnético, los investigadores han podido comparar los datos con un gran número de simulaciones. Según explican en uno de sus trabajos, las observaciones se decantan con claridad por aquellos modelos en los que el campo magnético es muy intenso en las cercanías del agujero negro, un fenómeno que a la postre limita la cantidad de materia que acaba cayendo en él. «Solo parte del material se "escurre" entre las líneas de campo y es atrapado por el agujero negro. El resto es lanzado en forma de potentes chorros de partículas», apunta Gómez.

Aunque el agujero negro de M87 es de proporciones gigantescas, se encuentra a más de 50 millones de años luz de distancia, por lo que incluso con el mayor telescopio del mundo solo se vería como un punto en el cielo carente de estructura. Para resolver sus detalles, la colaboración EHT ha tenido que llevar a cabo un esfuerzo sin precedentes en la historia de la astronomía: coordinar varios radiotelescopios distribuidos por todo el planeta para crear así un «telescopio virtual» que, a efectos prácticos, tiene el tamaño de la Tierra. Dado que la capacidad de resolución de un telescopio depende de su tamaño, solo de esta manera han podido los investigadores resolver la estructura espacial del objeto.

Los agujeros negros constituyen una de las predicciones más exóticas de la relatividad general, la teoría moderna de la gravedad formulada por Albert Einstein hace ya más de un siglo. En este sentido, y al margen de sus implicaciones astrofísicas, medir con precisión cómo se comporta la luz en la cercanía de un horizonte de sucesos abre una puerta única para explorar los límites de dicha teoría, un objetivo que los investigadores esperan ampliar a lo largo de los próximos años. «Estamos añadiendo más antenas al EHT y haremos también observaciones a frecuencias mayores, lo que nos permitirá obtener imágenes con una resolución angular aún mayor y con más sensibilidad. Con estas observaciones, esperamos efectivamente poder usar el EHT para hacer nuevos tests de relatividad general», concluye Gómez.

Ernesto Lozano Tellechea

Referencias: «First M87 Event Horizon Telescope results VII: Polarization of the ring»; Colaboración EHT en The Astrophysical Journal Letters, vol. 910, art. L12, 24 de marzo de 2021. «First M87 Event Horizon Telescope results VIII: Magnetic field structure near the event horizon»; Colaboración EHT en The Astrophysical Journal Letters, vol. 910, art. L13, 24 de marzo de 2021. 

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