Hace poco más de tres años, en abril de 2019, se presentaba la primera imagen de un agujero negro. Se trataba de un agujero negro supermasivo situado en el centro de la galaxia M87 y llamado M87*, que se encuentra a unos 55 millones de años luz de distancia y que cuenta con una masa 6500 millones de veces más grande que la del Sol (ver imagen adjunta). Esta primera imagen, fue un absoluto hito histórico de la ciencia. Sin embargo, el mismo equipo que había fotografiado este primer agujero negro, la red internacional de radiotelescopios Event Horizon Telescope (EHT por sus siglas en ingles), ha continuado las observaciones y hace unos pocos días nos mostraba la primera imagen del agujero negro supermasivo que se sitúa en el centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea. La existencia de dicho agujero negro había sido predicha en 2018 basada en el movimiento de las estrellas cerca del centro de nuestra galaxia. Este trabajo le sirvió a la estadounidense Andrea Ghez y al alemán Reinhard Genzel para ganar el premio Nobel de física en 2020 (Andrea Ghez se convertía en la cuarta mujer que ganaba este galardón, ver post anterior sobre las mujeres ganadoras del premio Nobel de física). Sin embargo, hasta ahora, este agujero negro, llamado Sagittarius A*, no había podido ser fotografiado. Pero antes de entrar en los detalles del hallazgo, veamos que es un agujero negro y porque son tan difíciles de observar. 

Un agujero negro es una región del espacio donde la fuerza de la gravedad es tan intensa que ni siquiera la luz es capaz de vencerla y salir de dicha región. Esto significa que los agujeros negros tienden a atraer hacia sí mismos tanto la materia que los rodea como las ondas electromagnéticas de tal modo que una vez que algo cae bajo la influencia de su gravedad, ya no puede volver a salir del agujero negro. Esta gravedad tan fuerte en los agujeros negros está causada porque una gran cantidad de materia ha sido comprimida en un espacio diminuto cosa que puede suceder, por ejemplo, cuando una estrella se está muriendo (veremos como ocurre la muerte de una estrella y la formación de un agujero negro en una futura publicación). Esta acumulación de materia en tan poco espacio hace que los agujeros negros sean muy masivos y densos. Para que nos hagamos una idea, seria como comprimir la masa de la Tierra en el tamaño de una pelota de ping-pong. Como la luz no puede escapar del agujero negro, es imposible verlos, son invisibles. Sin embargo, los telescopios espaciales, con la ayuda de herramientas especiales, nos ayudan a encontrarlos. La estrategia es la siguiente: como no puedo ver el agujero negro en sí, me fijo en las estrellas que están cerca y cuyo movimiento de debe ver afectado por la presencia de la gravedad del agujero negro. De hecho, siguiendo el movimiento de estrellas con movimientos diferentes a otras estrellas es como se detectan las regiones donde hay agujeros negros.

Los agujeros negros tienen una estructura bastante bien definida que podemos observar en la imagen adjunta. Podemos identificar tres «capas»: el exterior del horizonte de sucesos, el interior del horizonte de sucesos y la singularidad. El horizonte de sucesos (“event horizon” en inglés y en la imagen) es el límite alrededor del centro del agujero negro más allá del cual la luz no puede escapar. Una vez que una partícula cruza el horizonte de sucesos, ya no puede salir. El horizonte de sucesos sería la capa externa de la esfera negra (ahí ya la luz no puede escapar) que se ve en el centro en la imagen. La fuerza de gravedad es constante en toda esa capa externa, es decir, en el horizonte de sucesos. En el centro de la esfera negra se sitúa lo que se conoce como singularidad (“singularity” en inglés y en la imagen). El concepto de singularidad es difícil de entender y va un poco contra la lógica. Se define como el punto del espacio-tiempo donde se encuentra toda la masa del agujero negro. Es decir, que los millones de soles de masa del agujero negro se concentran un solo punto, la singularidad. Fuera de la esfera y antes de llegar al horizonte de eventos, tenemos el disco de acrecimiento o disco de acreción (“accretion disc” en inglés y en la imagen). Este está formado por el polvo y el gas que son atraídos hacia los agujeros negros y que emiten radiación en su movimiento circular alrededor del agujero negro. Es esta radiación la que puede ser detectada por los telescopios y la que nos permite localizar con exactitud el agujero negro. El disco de acreción es la zona naranja que se ve alrededor de una zona negra en la imagen anterior del agujero negro M87*. Dentro de este disco de acreción pueden ocurrir fenómenos de diversa índole. Por ejemplo, a veces, cuando la materia es atraída hacia el agujero negro, rebota en el horizonte de eventos y es lanzada hacia afuera, en lugar de ser arrastrada hacia las fauces. De este modo se crean chorros brillantes de material que viajan a velocidades cercanas a la de la luz. Estos son los llamados chorros relativistas (“relativistic jets” en inglés y en la imagen).)

Estas particularidades de los agujeros negros explican porque la imagen tomada por la red de telescopios “Event Horizon Telescope” (EHT) del agujero negro Sagittarius A*, situado como comentábamos en el centro de la Vía Láctea, es solo la segunda imagen directa de un agujero negro (ver imagen adjunta). La imagen de Sagittarius A* es muy parecida a la anterior de 2019: se observa un anillo de radiación (disco de acreción) rodeando a un disco más oscuro (delimitado por el horizonte de sucesos). Para obtener estas imágenes la colaboración EHT utilizó ocho observatorios en todo el mundo trabajando al unísono durante cinco noches de abril de 2017 para recopilar datos tanto del Sagittarius A* (llamado así por la constelación en la que se encuentra) como del M87*. Las ubicaciones de los 8 observatorios iban desde España (Instituto de Astrofísica de Andalucía en Granada) hasta el Polo Sur y desde Chile hasta Hawai. Tomaron casi 4 petabytes (4000 terabytes o 4 millones de Gigabytes) de datos, que era demasiado para enviar por Internet y tuvo que ser transportado por avión en discos duros a los distintos centros para su tratamiento. Los investigadores del EHT revelaron su imagen de M87* en 2019 pero los datos de Sagittarius A* fueron más difíciles de analizar. ¿Por qué ocurrió esto? Aunque M87* es 1600 veces más grande, los dos agujeros negros tienen aproximadamente el mismo tamaño aparente en el cielo porque M87* está casi 2000 veces más lejos. Cualquier fragmento de materia que gire en espiral alrededor de M87* está recorriendo distancias mucho más grandes y, por lo tanto, la radiación que emiten dichos fragmentos es aproximadamente constante en escalas de tiempo cortas. Pero en el caso de Sagittarius A*, dicha radiación puede cambiar rápidamente, incluso durante las pocas horas que el EHT lo observó todos los días. De hecho, la radiación proveniente de Sagittarius A* varía en escalas de tiempo de 5 a 15 minutos. Debido a esta variabilidad, el equipo de EHT generó no una imagen de Sagittarius A* sino miles y obtener la imagen definitiva implica el procesamiento de todas esas imágenes. Se promediaron todas de tal manera que se pudieron enfatizar las características comunes. El equipo de EHT también realizó simulaciones utilizando supercomputadoras para comparar con sus datos y concluyó que Sagittarius A* probablemente gira en sentido contrario a las agujas del reloj a lo largo de un eje que apunta aproximadamente a lo largo de la línea de visión hacia la Tierra, por lo que, en realidad, lo estamos viendo de frente.

Los primeros indicios de la existencia de Sagittarius A* se observaron en la década de 1970, cuando los astrónomos descubrieron una fuente de radiación aparentemente puntual en la región central de la Galaxia. Esta fuente era inusualmente débil, más débil que una estrella promedio. Aun así, las observaciones de décadas posteriores de los movimientos de las estrellas cercanas revelaron que el objeto era extremadamente masivo. Las observaciones más recientes indican que Sagittarius A* tiene 4.15 millones de veces la masa del Sol. Según estos cálculos, dicho objeto tan masivo y denso tan masiva solo podía ser un agujero negro. Como comentábamos, le valió a Andrea Ghez, astrofísica de la Universidad de California, Los Ángeles (EEUU) y a Reinhard Genzel, director del Instituto Max Planck de Física Extraterrestre en Garching, Alemania, una parte del Premio Nobel de Física 2020.

Sagittarius A* es prácticamente invisible para los telescopios ópticos debido al polvo y el gas en el disco galáctico. Pero a partir de fines de la década de 1990, los astrónomos se dieron cuenta de que la esfera limitado por el horizonte de sucesos podría ser lo suficientemente grande como para ser fotografiada con ondas de radio cortas, que pueden atravesar esa nube de polvo y gas (el disco de acreción). Para ello, para evitar la construcción de un telescopio de dimensiones faraónicas, la idea que tuvieron fue usar una técnica llamada interferometría en que múltiples telescopios lejanos apuntan simultáneamente al mismo objeto. Efectivamente, cada telescopio funciona como un fragmento de un gran plato. Los primeros intentos de observar a Sagittarius A* con interferometría utilizaron ondas de radio relativamente largas de 7 milímetros y observatorios separados unos pocos miles de kilómetros. Sin embargo, esta no funciono y todo lo que los astrónomos pudieron ver era un punto borroso. Luego, con el paso de los años y los avances tecnológicos y mejoras en los observatorios, la red de telescopios se enriqueció. En el 2015 diferentes observatorios unieron fuerzas como la colaboración EHT. En un principio se unieron 8 telescopios: el Submillimeter Telescope (SMT) en Arizona, EEUU (que forma parte del Arizona Radio Observatory (ARO)); el Atacama Pathfinder EXperiment (APEX) en plano desierto de Atacama, en San Pedro de Atacama, Chile; el IRAM 30-meter telescope situado en el Pico Veleta, en Granada, España (aunque el telescopio este situado en España, pertenece al IRAM (Instituto de RAdioastronomía Milimétrica) un instituto de investigación internacional formada por varias instituciones (entre las que se encuentra el IGN (Instituto Geográfico Nacional) y cuya sede central se encuentra en Grenoble, Francia); el James Clerk Maxwell Telescope (JCMT) que se sitúa en la cima del volcán Maunakea en Hawaii, EEUU; el Large Millimeter Telescope “Alfonso Serrano” (LMT) situado en la cima del volcán Sierra Negra en Méjico; el Submillimeter Array (SMA) situado también en la cima del volcán Maunakea en Hawaii, EEUU; el Atacama Large Millimeter Array (ALMA) situado en la misma ubicación que el APEX (en el llano de Chajnantor, en la región de San Pedro de Atacama, en Chile, hay un observatorio astronomico enerme con varios de los telescopios más avanzados del mundo) y el South Pole Telescope (SPT) situado a base estadounidense Amundsen-Scott prácticamente en el Polo Sur geográfico. Su campaña de observación de 2017 fue la primera en abarcar distancias lo suficientemente largas como para resolver detalles como el tamaño de Sagittarius A* y, como podemos observar, dicha campana fue todo un éxito con la obtención de las primeras fotografías de dos agujeros negros.

Pero la colaboración EHT no se va a parar aquí. Pese a que se tuvieron que cancelar las campañas de observación de 2019 y 2020, las observaciones se reanudaron en 2021 y 2022, con instrumentos más sofisticados y con la incorporación de 3 nuevos telescopios: el Greenland Telescope situado actualmente en la Base Aérea estadounidense de Thule, en la costa de Groenlandia, pero se planea colocar en la Estación estadounidense Summit en el centro de Groenlandia; el IRAM NOEMA Observatory que se encuentra en el Plateau de Bure, en plenos Alpes franceses y el Kitt Peak 12-meter Telescope en Arizona, EEUU (que forma parte del Arizona Radio Observatory (ARO)). En esta nueva campaña ya se ha registrado señales de mucha más resolución lo que debería ayudar, a su vez, a aumentar la resolución de las imágenes finales.