Nota: Este artículo es una traducción al español del artículo 90 years in the making: The Event Horizon Telescope’s observations of Sgr A*, part 1 escrito por Graham Doskoch.
Crédito de la imagen destacada: Colaboración del Event Horizon Telescope.
- Título del artículo original: Focus on First Sgr A* Results from the Event Horizon Telescope (papers I-VI from the EHT’s observations of Sgr A*)
- Autoras/es: Kazunori Akiyama et al., representando a la Colaboración del Event Horizon Telescope
- Institución del/a primer/a autor/a: Massachusetts Institute of Technology Haystack Observatory, Westford, Massachusetts, USA; National Astronomical Observatory of Japan, Mitaka, Tokyo, Japan; Black Hole Initiative at Harvard University, Cambridge, Massachusetts, USA
- Estado de la publicación: publicado en The Astrophysical Journal Letters, de acceso abierto.
La pregunta de qué hay en el centro de la Vía Láctea ha tardado casi un siglo en ser respondida. Todo comenzó en 1932, cuando Karl Jansky, realizando observaciones, se percató de que detectaba ondas de radio cada vez que el telescopio pasaba por la constelación Sagitario. A principio de los años 50, Jack Piddington y Harry Minnet localizan esta emisión cerca del centro galáctico, abarcando una amplia región conocida como Sagitario A. Y en 1974 Bruce Balick y Robert L. Brown descubren en la zona una fuente de radio muy intensa a la que se llamó Sagitario A* (o Sgr A*, para abreviar). Es entonces cuando la comunidad astronómica propone que el objeto podría ser un agujero negro supermasivo. Esta idea fue apoyada más tarde por los trabajos de Andrea Ghez y Reinhard Genzel, por los que se les concedió el premio Nobel, que mostraban cómo los movimientos de las estrellas en torno a la fuente sugerían que debía ser un objeto compacto. Pero estas son sólo algunas de las miles y miles de personas que han intervenido en esta búsqueda de 90 años.
Hace unos días, el mundo supo que la Colaboración del Event Horizon Telescope (o Telescopio Horizonte de Sucesos, en español) había dado otro paso adelante. Utilizando radiotelescopios para observar a longitudes de onda de aproximadamente 1.3 mm, el equipo consiguió la primera imagen de Sgr A*. Vista en falso color, muestra un objeto con forma de donut rodeando un agujero negro central. En este astrobito en dos partes, discutiremos qué es el Event Horizon Telescope, por qué el agujero negro del centro de nuestra galaxia parece un donut, y qué podemos aprender de todo esto.
Actualmente se cree que la mayoría de galaxias, como la Vía Láctea, albergan uno o más agujeros negros supermasivos en sus centros. Estas bestias pueden tener tamaños desde millones de veces la masa del Sol hasta (potencialmente) decenas de miles de millones de masas solares. En este sentido Sgr A* es bastante modesto, con sus 4 millones de masas solares situándolo en el extremo inferior de este rango, y sin estar acretando -ni de lejos- tanto como los agujeros negros supermasivos de los núcleos activos de galaxias (AGNs). Entender Sgr A* y otros objetos similares es clave para desarrollar modelos no solo sobre AGNs, sino que describan también la formación y evolución de las galaxias. Pero, ¿cómo hacer observaciones detalladas y precisas de los agujeros negros supermasivos? Aquí es donde entra el Event Horizon Telescope.
El Event Horizon Telescope o EHT no es en realidad un único telescopio. Al contrario, es una agrupación de radiotelescopios repartidos por todo el mundo. Las primeras observaciones del EHT, realizadas en 2017, involucraron a ocho observatorios de hasta cuatro continentes diferentes. Y desde entonces esta colaboración no ha parado de crecer, llegando a incluir en la actualidad a 350 investigadores e investigadoras de hasta 100 instituciones diferentes. Pero, ¿por qué montar un sistema tan complejo? ¿Por qué necesita la comunidad astronómica coordinar observaciones de telescopios ubicados en lugares como la Antártida, Hawai`i, España o Chile?
La respuesta está en una de las pesadillas de la astronomía: la resolución angular. Debido a la difracción, los radiotelescopios individuales sólo pueden distinguir separaciones angulares mayores que un cierto límite determinado por dos factores: el diámetro del telescopio y la longitud de onda a la que observan. Si estás tratando de observar una fuente puntual, como un púlsar, esto no supone ningún problema; pero para obtener imágenes de alta resolución de objetos extensos se convierte en un obstáculo importante. Para solventar este problema, la comunidad astronómica a veces construye grupos de muchos radiotelescopios llamados interferómetros, como el Very Large Array (VLA) o el Atacama Large Milimeter Array (ALMA). La resolución angular de un interferómetro está limitada por la separación más larga entre dos de sus constituyentes, pero no por el tamaño individual de estos. De esta manera, separando telescopios pequeños varias decenas de kilómetros se pueden alcanzar resoluciones que con telescopios individuales sólo serían posibles si tuviesen tamaños imposibles.
Los interferómetros “normales” suelen ser suficiente para obtener imágenes en radio a resoluciones relativamente altas. Sin embargo, los agujeros negros supermasivos tienen tamaños angulares pequeños: desde la Tierra Sgr A* se ve con el tamaño que tendría un donut en la Luna. Esto hace poco práctico intentar obtener imágenes de este objeto utilizando incluso instalaciones como VLA o ALMA, ya que separar los radiotelescopios decenas de kilómetros no es suficiente. La resolución angular necesaria para observar las zonas más internas en torno a estos agujeros negros requiere que el EHT utilice telescopios separados miles de kilómetros a lo largo y ancho de la Tierra. Así logra resoluciones que con un solo telescopio sólo podrían alcanzarse si este fuese del tamaño de todo el planeta Tierra (de hecho, ¡ALMA es parte de este conjunto mundial!).
La Colaboración del Event Horizon Telescope se hizo realidad hace una década, tras años de estudios, propuestas y campañas de observación “exploratorias”. Así, en abril de 2017 realizó las primeras observaciones durante una semana y media, utilizando ocho radiotelescopios para estudiar Sgr A* y otros agujeros negros supermasivos. Desde entonces, el EHT ha ido añadiendo más telescopios a su red y se ha embarcado en tres nuevas campañas de observación en 2018, 2021 y 2022. Pese a que la gran mayoría de estos datos aún se están analizando a día de hoy, en 2019 se presentaron los primeros resultados: las imágenes M87*, el agujero negro de la galaxia activa M87. La imagen de este magnífico objeto es algo diferente a lo que quizás habrías esperado: un donut brillante con su centro muy oscuro. ¿Por qué lo vemos así?
Los agujeros negros supermasivos suelen estar rodeados por estructuras de gas arremolinado extremadamente caliente. Las dinámicas de este gas dependen de lo que se denomina la orbita circular estable más interior posible o ISCO (por sus siglas en inglés), que está a una distancia de 3 Radios de Schwarzschild desde el centro del agujero negro. El gas que se aventura hacia el interior de la ISCO no puede mantener órbitas estables y comienza a seguir trayectorias que le llevarán finalmente al horizonte de sucesos del agujero negro. Por el camino, este gas emite fotones, tal y como hace la materia del disco de acreción. Y debido al intenso “tirón” gravitatorio del agujero negro, esa luz acaba recorriendo caminos extremadamente curvos a través del espacio. De hecho, mientras el gas se aproxima en espiral hacia el límite de 1.5 Radios de Schwarzchild, algunas de esas trayectorias se curvan totalmente alrededor del agujero negro varias veces. Justo a esa distancia está la esfera de fotones, que viene a ser la distancia a la que los fotones pueden orbitar el agujero negro. O, dicho de otra manera, la distancia a la cual pueden girar alrededor del agujero negro un número infinito de veces.
Esto es lo que produce el anillo brillante que vemos en las imágenes del Event Horizon Telescope: muchos, muchísimos fotones recorriendo muchísimas trayectorias que rodean el agujero negro muchísimas veces, originados por el gas exterior a la esfera de fotones (así que no es la luz del agujero negro como tal). Y la relatividad general hace que el anillo que observamos parezca estar a unos 2.6 Radios de Schwarzschild en vez de 1.5, que es el radio real de la esfera de fotones. Por otro lado, la luz que se emite desde el interior de esta esfera suele acabar dentro del horizonte de sucesos del agujero negro, en vez de llegar a alguien que observe desde fuera. Por lo tanto, vemos menos fotones dentro de la proyección de la esfera de fotones, y los que vemos han experimentado corrimiento al rojo (redshift) gravitacional. Así pues, la región interior al anillo es extremadamente oscura, y por eso se le llama la “sombra” del agujero negro. Por último, el anillo que vemos en las imágenes no es delgado, sino más bien con forma de donut difuminado. Esto es debido a que el EHT, aunque espectacular, no tiene una resolución angular perfecta, y por tanto no es perfectamente sensible a todas las escalas angulares.
El año pasado, el EHT hizo pública otra serie de imágenes de M87* en las que utilizaba la polarización de la luz para “mapear” el campo magnético del agujero negro. Estas imágenes se anunciaron entre varias publicaciones sobre las observaciones de potentes jets emitidos por agujeros negros supermasivos de otras galaxias activas: 3C 279 y Centauro A. Sin embargo, el mundo aguardaba expectante las noticias sobre las observaciones de Sgr A*. Aunque el agujero negro del centro de nuestra galaxia parece tener el mismo tamaño angular que M87*, es un efecto de la distancia: M87* está mucho más lejos pero también es mucho más masivo, lo que hace que parezca físicamente más grande. Estos dos agujeros negros eran los únicos, de los observados por EHT, con tamaños angulares suficientemente grandes como para poder ver sus sombras. Así que, tras M87*, sólo Sgr A* podría revelar un segundo donut… y estuvimos esperando.
Pero al igual que el mundo tuvo que esperar, astrobitos también se toma un pequeño descanso. Próximamente publicaremos la segunda parte de este astrobito, donde hablaremos sobre las observaciones del EHT de Sgr A* y la imagen que tardamos 5 años en ver aparecer.
Nota de traducción: al traducir cualquier texto, las traducciones literales no siempre capturan bien el significado de modismos y frases hechas. En casos como este, como traductores hacemos nuestro mejor esfuerzo para mantener el espíritu del artículo original, y no tanto el significado literal de las palabras. También intentamos proporcionar enlaces a conceptos en el idioma traducido en lugar de en el original, siempre que sea posible. De este modo queremos reconocer la naturaleza de nuestras traducciones como una colaboración entre les autores originales y les traductores.
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