La primera imagen de un agujero negro

Hasta ahora los habíamos detectado de forma indirecta en varias longitudes de onda del espectro electromagnético. Incluso hemos llegado a detectarlos a través de las ondas gravitacionales que se producen cuando dos de ellos se fusionan. Pero nunca habíamos visto uno directamente. Hasta hoy. El 10 de abril de 2019 pasará a la historia como el día en el que la humanidad contempló un agujero negro por primera vez. El proyecto EHT (Event Horizon Telescope) ha revelado la primera imagen del agujero negro supermasivo del centro de la galaxia M87. Y no es cualquier agujero negro. Es, ni más ni menos, el más masivo que se conoce. Contempla a la bestia en todo su esplendor:

El agujero negro de M87 (Event Horizon Telescope).

La imagen por sí sola no es especialmente impactante, hasta que uno comprende que estamos contemplando un monstruo de 6500 millones de masas solares (!) situado en el centro de una galaxia elíptica gigante a 55 millones de años luz. Es un agujero negro tan grande que dentro de él cabrían todos los planetas del sistema solar. A-lu-ci-nan-te. Maravilloso, por supuesto, ¿pero qué estamos contemplando exactamente? Sin una escala de referencia es difícil hacerse una idea de las dimensiones del objeto. Tampoco ayuda que en nuestra experiencia cotidiana no nos topemos con agujeros negros ni con los efectos extremos de la distorsión del espacio-tiempo descritos por las ecuaciones de la relatividad general de Einstein. Lo primero que debemos tener en cuenta es que no se trata de una imagen en luz visible. Eso es simplemente imposible porque no disponemos de telescopios ópticos con la resolución suficiente para ver un objeto tan pequeño a tanta distancia.

Red VLBI de radiotelescopios usada en el proyecto (Event Horizon Telescope).

La imagen ha sido obtenida por una red de radiotelescopios repartidos por el mundo usando la técnica de interferometría de muy larga base (VLBI) de tal forma que se consigue crear un radiotelescopio con un tamaño equivalente al del planeta Tierra capaz de alcanzar la increíble resolución de 20 millonésimas de segundo de arco. En las semanas previas al descubrimiento se ha generado un debate, en mi opinión un tanto absurdo, sobre si se trata de una imagen «real» o no. Si por «real» entendemos «en luz visible», obviamente no lo es. No estamos viendo el agujero negro de M87 como vieron a Gargantúa los protagonistas de la película Interstellar, sino en la longitud de onda de 1,3 milímetros (228 GHz), o sea, en longitudes de onda de radio. Pero hoy en día estamos acostumbrados a contemplar imágenes de objetos astronómicos tomadas en otras regiones del espectro de forma rutinaria y nadie piensa que se trata de imágenes «irreales». Sí, para obtener esta imagen de M87 se han tenido que calibrar y procesar cuidadosamente los ingentes datos obtenidos por distintos radiotelescopios, pero no por ello es una imagen «inventada». Cualquier imagen obtenida en rayos X o infrarrojo lejano —o, ya que estamos, incluso en el visible— también requiere de un procesado intenso.

Polémicas estériles aparte, la imagen de M87*, como se denomina al agujero negro (se lee «M87 estrella»), se ha obtenido combinando las observaciones realizadas los días 5, 6, 10 y 11 de abril de 2017 por los ocho radiotelescopios de la participación EHT —nacida en 2014, como la película Interstellar (¿casualidad?, no lo creo)—, entre los que se encuentra la antena del treinta metros del IRAM (Institut de RadioAstronomie Millimétrique) situada en el Pico Veleta (España). La época del año para la observación fue elegida de tal forma que hubiese buen tiempo en todos los observatorios. Además de M87*, también se observó Sagitario A*, o sea, el agujero negro del centro de nuestra Galaxia, de tan «solo» cuatro millones de masas solares. El procesado de la enorme cantidad de datos ha tenido lugar en el Instituto Max Planck Institute de Radioastronomía de Alemania y en el observatorio Haystack del MIT (Massachusetts Institute of Technology) de EEUU.

La imagen obtenida es consistente con lo que predecían los modelos basados en la relatividad general. Por lo tanto, una vez más la teoría de Einstein sale reforzada de la enésima prueba a la que ha sido sometida. Los que esperaban encontrar indicios de nueva física tendrán que esperar a otra oportunidad. No obstante, en base a esta imagen no se pueden descartar otros modelos modificados de la gravedad que permiten objetos muy compactos que no son exactamente agujeros negros. En ese sentido, la detección de ondas gravitacionales es una prueba mucho más contundente de la validez de la relatividad general que esta imagen.

M87* observado en cuatro días diferentes (Event Horizon Telescope).

 Pero volvamos a la imagen, ¿qué es exactamente lo que vemos? Está claro que el agujero negro es el círculo negro dentro del anillo de luz (o, mejor, dicho, de emisión sincrotrón en radio). Un agujero negro es, por naturaleza, totalmente oscuro, pero tiene un límite bien definido: el famoso horizonte de sucesos. Este horizonte —que no es una frontera sólida, pero sí es un límite unidireccional (solo se puede entrar, pero no salir)— es proporcional a la masa del agujero negro y su tamaño se conoce como radio de Schwarzschild, ya que es una solución a la métrica del mismo nombre. Esta métrica solo es válida para los agujeros estacionarios y sin carga eléctrica, pero si el agujero negro rota y tiene carga debemos usar la métrica de Kerr-Newman. Puesto que los agujeros negros reales como M87* giran sobre su eje, pero no pueden tener una carga eléctrica muy intensa (la materia que cae en ellos es principalmente neutra), la métrica de Kerr basta para describir el agujero negro de M87 a 55 millones de años luz.

Partes de un agujero negro supermasivo (ESO).

  Por lo tanto, uno podría pensar que el círculo negro se corresponde con el horizonte de sucesos y el anillo brillante con el disco de acreción de materia alrededor del mismo. Pero, como siempre que hablamos de relatividad general, la realidad es un poco más compleja. Primero, hay que tener en cuenta que el radio del círculo negro es realmente 2,6 veces el del horizonte de sucesos, ya que el agujero negro distorsiona el espacio-tiempo a su alrededor y la luz se curva creando este efecto. Por eso se puede decir de forma más correcta que estamos ante la «sombra del agujero negro», un efecto predicho por James Bardeen en 1973. Además, el borde interior del disco de acreción no está en contacto con el agujero negro, ya que la relatividad general impide la presencia de órbitas estables a una distancia inferior a tres radios del horizonte de sucesos. Este borde interior se denomina órbita interna estable (ISCO) y a esta distancia es casi indistinguible de la «sombra» del agujero negro predicha por Aberdeen.

Recreación del camino que sigue la luz (geodésicas) alrededor de un agujero negro, lo que explica el tamaño de su «sombra»  (Nicolle R. Fuller/NSF).

 Viendo la imagen da la impresión de que estamos viendo el disco de acreción en dirección perpendicular a la línea de visión, pero no es necesariamente así. La distorsión del espacio-tiempo alrededor del agujero negro es tan intensa que podemos ver toda la superficie del disco, en ambas caras, independientemente de la inclinación del mismo, un efecto que aparece magníficamente representado —aunque de forma simplificada— en Interstellar. Igualmente, la diferencia de brillo en el disco de acreción se explica por la relatividad general, que predice este efecto siempre que la materia esté girando rápidamente alrededor del agujero negro, como parece ser el caso. Analizando la imagen los investigadores han concluido además que M87* gira en sentido horario visto desde la Tierra.

Simulación de cómo se vería el disco de acreción de un agujero negro de cerca creada para la película Interstellar (Warner).

 La obtención de la primera imagen de un agujero negro es un hecho histórico y de una enorme relevancia científica, aunque no sea un suceso tan importante como el descubrimiento de ondas gravitacionales. Los próximos pasos de la iniciativa EHT son, a corto plazo, estudiar la variabilidad del disco de acreción de M87* y su relación con los potentísimos chorros que salen del mismo. A más largo plazo, el objetivo es producir una imagen semejante del agujero negro de la Vía Láctea, Sagitario A*. Aunque pueda parecer contraintuitivo, obtener una imagen de nuestro agujero negro es más difícil pese a estar mucho más cerca, principalmente debido a que, al ser más pequeño, la materia del disco de acreción se mueve mucho más rápido, complicando sobremanera la reducción de datos.

Fuente: https://danielmarin.naukas.com/2019/04/10/la-primera-imagen-de-un-agujero-negro/