Nuevas imágenes de un agujero negro contienen pistas sobre misterios cósmicos

En el corazón de una enorme galaxia a 55 millones de años luz, un agujero negro con el peso de 6500 millones de soles arroja una fuente de materia al cosmos casi a la velocidad de la luz. En una colaboración llamada Telescopio del Horizonte de Sucesos (EHT, por sus siglas en inglés), un equipo de científicos aprovechó las ondas de radio para capturar una instantánea de un agujero negro, ofreciéndonos la primera imagen de este entorno extremo cerca de su borde en 2019.

Dos años después, el equipo internacional que consiguió esta imagen extraordinaria y sus socios han publicado los resultados de una campaña de observación de 2017 que escrutó de forma simultánea la galaxia Messier 87 en varias longitudes de onda.

El informe, que se publicó en The Astrophysical Journal, incluye datos de 19 observatorios terrestres y espaciales y ha sido creado por más de 750 científicos. Describe un panorama más completo del agujero negro supermasivo y su enorme chorro, que permite a los científicos estudiar cómo interactúan los campos magnéticos, las partículas, la gravedad y la radiación con las inmediaciones de un agujero negro supermasivo a varias escalas.

«Estamos empezando a ver órbitas, vemos lo que hay junto al agujero negro y estudiamos este entorno exótico», explica Daryl Haggard, de la Universidad McGill, que ayudó a coordinar las observaciones en múltiples longitudes de onda.

«Creo que este es uno de los trabajos que conecta el EHT con el resto de la comunidad, una muestra de lo que realmente pretende hacer esta colaboración», añade Sera Markoff, miembro del equipo de la Universidad de Ámsterdam. «Me parece que esto es el principio de todo».

Ahora, el equipo del EHT se encuentra en medio de un periodo de observación crucial de 12 días, el primero que han podido hacer desde 2018 debido a problemas técnicos y la pandemia de coronavirus. Esta vez, la colaboración ha añadido tres nuevos telescopios a su conjunto de observatorios —uno de ellos en Groenlandia— y está volviendo a escudriñar el cielo en longitudes de onda que abarcan el espectro electromagnético, siempre y cuando el tiempo coopere.

«Hay que tener muy buen tiempo en todos los lugares», explica Monika Moscibrodzka, de la Universidad Radboud, en los Países Bajos. «Y cuantos más lugares haya, menor es la probabilidad de que haga buen tiempo en todos».

Un cruller cósmico

Los agujeros negros han sido unos de los fenómenos astronómicos más intrigantes y atractivos durante más de un siglo, cautivando nuestra imaginación con su física extrema y el hecho de que lo que entra nunca sale. Pero estos socavones cósmicos han empezado a cobrar importancia recientemente, gracias a la imagen del EHT, así como a estudios ganadores del Nobel sobre objetos que se mueven alrededor del agujero negro supermasivo en el núcleo de la Vía Láctea y el caudal de información derivado de la observación de colisiones de agujeros negros.

«En los últimos años, hemos pasado de agujeros negros como un elemento de la ciencia ficción a agujeros negros como una realidad», afirma Marta Volonteri, del Instituto de Astrofísica de París.

El Telescopio del Horizonte de Sucesos consta de varios radiotelescopios repartidos por todo el planeta, de Groenlandia al Polo Sur, que actúan a la vez como un observatorio del tamaño de la Tierra. Para generar estas imágenes del agujero negro supermasivo de M87 hay que combinar una cantidad de datos gigantesca, tantos datos que el equipo no puede transferirlos de forma digital y tiene que enviar discos duros por correo postal.

Cuando el equipo publicó su primera imagen en abril de 2019, los científicos se quedaron asombrados porque el objeto tenía casi el mismo aspecto predicho por una teoría de hace un siglo.

La imagen de M87 ofrecía una oportunidad de probar la teoría de la relatividad general de 1915 de Einstein, que sostiene que lo que percibimos como gravedad surge cuando la materia curva el tejido del espacio-tiempo. El entorno alrededor del corazón de M87 es intenso —un lío de gravedad extrema, campos magnéticos y partículas—, lo que lo convierte en uno de los mejores lugares del universo para desafiar la relatividad general.

«Todo el mundo está intentando romper estas teorías, porque aprendemos mucho cuando encontramos un punto débil», afirma Haggard. «Nos encanta romper modelos. Pero todavía no hemos conseguido romper la relatividad general».

Aunque la relatividad general volvió a prevalecer con M87, la imagen del EHT enseguida se abrió camino hasta la conciencia pública. La tira cómica XKCD incluyó al equipo varias veces y colocó el sistema solar sobre las fauces del agujero negro para mostrar su escala. Otros compararon su anillo brillante con el Ojo de Sauron, de las películas de El señor de los anillos. Pero el debate más enérgico fue acerca de su parecido con la comida.

«¿Se parece más a un bagel o a un dónut?», pregunta Volonteri.

Una actualización de aquella imagen original, ensamblada por Moscibrodzka y sus colegas, zanjó la discusión el mes pasado: el agujero negro se parece a un cruller, que es como un dónut trenzado. En la imagen más nueva, las líneas del campo magnético del agujero negro estaban superpuestas al anillo brillante original, revelando un patrón fluido y organizado que envuelve el objeto. Moscibrodzka y sus colegas estudiaron las partículas cargadas que trazan las líneas del campo magnético para proporcionar una imagen más detallada de las condiciones físicas extremas alrededor del agujero negro.

Dar color a un lugar del que nunca sale la luz

Ahora, según se informa en un nuevo estudio, las observaciones en múltiples longitudes de onda están dando más color a esta apetitosa imagen.

Los científicos esperan que estas observaciones combinadas ayuden a revelar la física que impulsa el monstruoso chorro de partículas que sale del núcleo de M87. El chorro abarca miles de años luz, se extiende a lo largo de la galaxia y, de algún modo, se lanza desde la piscina de plasma abrasador, campos magnéticos trenzados y otra materia que gira alrededor del agujero negro.

Los científicos sospechan que estos chorros podrían ser responsables de una población de partículas cósmicas de alta energía que llegaron hasta nuestro vecindario del universo, donde se conocen como rayos cósmicos. Aunque el Sol emite una burbuja protectora alrededor de gran parte del sistema solar, las partículas cargadas pueden filtrarse y algunas de las que llegan a la atmósfera de la Tierra viajan a velocidades tan inmensas que no podrían haber procedido de la Vía Láctea.

«Una de las cuestiones principales que tratamos de investigar es de dónde proceden las partículas de alta energía», dice Markoff. «¿Cómo se lanzan estos chorros, qué hay en su interior y cómo se aceleran los rayos cósmicos de alta energía, que parecen proceder de chorros de agujeros negros? No se puede responder a estas preguntas solo con el EHT».

Con las nuevas observaciones, los científicos pueden entender mejor el chorro —que emite luz en todas las longitudes de onda, de ondas de radio hasta rayos gamma— y comprobar si realmente está lanzando materia al espacio a una velocidad que ni los mayores aceleradores de partículas de la Tierra podrían igualar.

Asimismo, una imagen mejorada de la anatomía del chorro podría revelar algunas propiedades misteriosas del agujero negro de M87, como la velocidad y orientación en que gira. Estas mediciones aportarán pistas sobre cómo creció el agujero negro supermasivo y si  en los últimos mil millones de años ha ganado masa principalmente mediante colisiones con otros agujeros negros supermasivos o engullendo el gas circundante.

«En cierto modo, el giro tiene una memoria mejor de cómo aumenta la masa de los agujeros negros que medir la propia masa», dice Volonteri.

Observando Sagitario A*

Mientras prosigue la campaña de observación de esta semana, los científicos vuelven a apuntar sus telescopios hacia M87 para ver cómo podría haber cambiado. El agujero negro estaba en estado inactivo y durmiente durante la campaña de observación de 2017, de ahí que el equipo pudiera ver su núcleo. Ahora «sentimos mucha curiosidad por ver cómo evolucionará M87 en escalas temporales más largas, sentimos curiosidad por lo que veremos esta vez», cuenta Moscibrodzka.

El equipo del EHT también está observando el agujero negro supermasivo más cercano a nuestro planeta: Sagitario A*, o SgrA*, ubicado en el corazón de la Vía Láctea. Con una masa equivalente a casi cuatro millones de soles, SgrA* es menos pesado que el gigante de M87, pero también está mucho más cerca de la Tierra y del EHT, a solo 25 600 años luz.

Sin embargo, nuestro agujero negro supermasivo también es más temperamental. Suele «eructar» y brillar cuando devora materia, y a veces sus estallidos duran una sola noche. Estas fluctuaciones de actividad son uno de los motivos por los que se ha tardado más en crear una imagen.

«Desde una perspectiva observacional, introduce todo tipo de retos», explica Haggard. «¿Cómo creas una imagen estable de algo que varía todo el tiempo?».

Es un reto complejo, pero se avecina una imagen del SgrA* y, con un montón de observaciones disponibles, pronto estaremos mucho más cerca de comprender los enigmas que acechan en los corazones de las galaxias y crean unos de los fenómenos más extremos en el universo observable.

Este artículo se publicó originalmente en inglés en nationalgeographic.com.