Astrónomos revelan primera imagen del agujero negro central de la Vía Láctea

Tres años después de capturar la primera imagen de un agujero negro supermasivo en una galaxia a 55 millones de años luz de distancia, los astrónomos lograron «fotografiar» las fauces abiertas del agujero negro más pequeño, pero mucho más cercano que acecha silenciosamente en el núcleo de la Vía Láctea, investigadores anunció el jueves.

“Estamos observando un nuevo entorno, el espacio-tiempo curvo cerca de un agujero negro supermasivo”, dijo Michael Johnson, investigador del Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian. “Y está rebosante de actividad, siempre rebosante de energía turbulenta y ocasionalmente estallando en brillantes destellos de emisión”.

El objetivo de 2019 era un agujero negro alucinante en el núcleo de M-87, una galaxia elíptica gigante en la constelación de Virgo, un agujero con una masa de 6.500 millones de soles. Su enorme gravedad atrae el material circundante en un disco, acelerándolo casi a la velocidad de la luz y calentándolo a temperaturas extremas, lo que da como resultado torrentes de radiación que se pueden ver desde la Tierra.

El agujero negro en el centro de la Vía Láctea, conocido como Sagittarius A*, o Sgr A* para abreviar (pronunciado Sag A-star), está mucho más cerca, a unos 26.000 años luz de la Tierra, pero es mucho más pequeño. Los 6.500 millones de masas solares que forman el agujero negro en M-87 llenarían todo el sistema solar. Los 4 millones de masas solares de Sgr A* cabrían dentro de la órbita de Mercurio.

Ahora, después de años de cuidadosa recopilación de datos utilizando ocho radiotelescopios combinados electrónicamente y sincronizados con relojes atómicos para formar un plato virtual del tamaño del planeta Tierra, los colaboradores del proyecto Event Horizon Telescope revelaron la imagen tan buscada de Sgr A*.

Fue una hazaña más o menos equivalente a fotografiar un solo grano de sal en la ciudad de Nueva York con una cámara en Los Ángeles.

Sgr A* ha sido el foco de «intensos estudios astronómicos durante décadas», dijo Feryal Özel, astrofísico teórico de la Universidad de Arizona y líder del equipo EHT. “Las observaciones de estrellas orbitando a su alrededor revelaron la presencia de un objeto que es muy masivo, 4 millones de veces la masa de nuestro sol, pero también muy débil.

“Hasta ahora, no teníamos la imagen directa que confirmara que Sgr A* era de hecho un agujero negro”, dijo. “Hoy, el Event Horizon Telescope se complace en compartir con ustedes la primera imagen directa del gentil gigante en el centro de nuestra galaxia”.

La imagen, basada en múltiples observaciones que utilizan una variedad de algoritmos para descubrir detalles sutiles, «muestra un anillo brillante que rodea la oscuridad, el signo revelador de la sombra del agujero negro», dijo Özel.

“La luz que escapa del gas caliente que gira alrededor del agujero negro nos parece un anillo brillante. La luz que está demasiado cerca del agujero negro, lo suficientemente cerca como para ser tragada por él, eventualmente cruza su horizonte y deja atrás solo el oscuro vacío en el centro”.

Por definición, los agujeros negros no se pueden observar directamente porque nada, ni siquiera la luz, puede escapar de la aplastante fuerza interna de su titánica gravedad.

Pero su presencia puede detectarse indirectamente al observar los efectos de esa gravedad en las trayectorias de las estrellas cercanas y por la radiación emitida a través del espectro electromagnético por el material calentado a temperaturas extremas cuando es absorbido por un «disco de acreción» que gira rápidamente y luego por el agujero en sí.

Los movimientos de las estrellas en el núcleo cubierto de polvo de la Vía Láctea cerca de Sgr A* han sido monitoreados de cerca durante las últimas dos décadas, lo que permite a los astrónomos calcular la masa del cuerpo invisible que deforma sus trayectorias.

El Premio Nobel 2020 fue para tres investigadores cuyas observaciones y análisis pioneros casi confirmaron la presencia de un agujero negro supermasivo. El Event Horizon Telescope capturó la primera imagen real del objeto masivo.

Esa imagen muestra el núcleo central oscuro de Sgr A*, la sombra de su «horizonte de eventos», rodeado por un anillo torcido de luz emitido por partículas que corren alrededor del agujero a casi la velocidad de la luz.

El horizonte de eventos es el límite invisible entre un agujero negro y el resto del universo, una zona donde nada, ni siquiera la luz, puede escapar de las garras gravitatorias del agujero. Gas, polvo, estrellas caprichosas y la luz que emiten, cualquier cosa que cruce esa línea invisible se desvanece del universo conocido.

La imagen EHT de Sgr A* es similar en apariencia a la imagen histórica del enorme agujero negro de M-87 y se parece mucho a lo que los astrónomos esperaban basándose en simulaciones por computadora que ejecutan las ecuaciones de la teoría general de la relatividad de Einstein.

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El agujero negro de M-87 “es 1500 veces más masivo, lo que hace que su horizonte sea 1500 veces más grande”, dijo Özel. “Pero también está 2.000 veces más lejos de nosotros. Esto hace que las dos imágenes nos parezcan muy similares cuando las contemplamos en el cielo. Pero los dos agujeros negros no podrían haber sido (más) diferentes entre sí en prácticamente todos los demás aspectos.

“El de M-87 está acumulando materia a un ritmo significativamente más rápido que Sgr A*. Pero quizás lo más importante, el de M-87 lanza un poderoso chorro que se extiende hasta el borde de esa galaxia. Nuestro agujero negro no. Y, sin embargo, cuando miramos el corazón de cada agujero negro, encontramos un anillo brillante que rodea la sombra del agujero negro. Parece que a los agujeros negros les gustan las donas”, bromeó.

Johnson dijo que «solo un goteo de material está llegando al agujero negro».

“Si Sgr A* fuera una persona, consumiría un solo grano de arroz cada millón de años”, dijo. “Y aunque algunos agujeros negros pueden ser notablemente eficientes para convertir la energía gravitacional en luz, Sgr A* atrapa casi toda esta energía, solo una parte de cada 1000 se convierte en luz.

“Entonces, a pesar de verse tan brillante en las imágenes simuladas, el agujero negro es voraz pero ineficiente. Solo emite unos cientos de veces más energía que el sol a pesar de ser 4 millones de veces más masivo. La única razón por la que podemos estudiarlo es porque está en nuestra propia galaxia”.

Si bien M-87 presenta uno de los agujeros negros más masivos del universo conocido, Sgr A* «nos está dando una visión del estado mucho más estándar de los agujeros negros, silenciosos e inactivos», dijo. “M-87 fue emocionante porque era extraordinario. Sgr A* es emocionante porque es común”.

Para “ver” a Sgr A*, el equipo del Event Horizon Telescope utilizó una matriz de ocho radiotelescopios en Hawái, América del Norte, Central y del Sur, Europa y la Antártida.

Usando una técnica conocida como interferometría de línea de base muy larga, los datos cronometrados con precisión de cada radiotelescopio se pueden combinar para producir imágenes comparables a las que detectaría un plato del tamaño de la Tierra. El telescopio virtual resultante tiene la resolución más alta de cualquier instrumento jamás construido, capaz de detectar una rosquilla en la luna.

Se recopilaron unos 3,5 petabytes de datos, aproximadamente la misma cantidad que un millón de videos de TikTok. Luego, decenas de discos duros se enviaron físicamente a investigadores en Europa y los Estados Unidos para su procesamiento y análisis por supercomputadora.

“De vez en cuando, solo tienes que pellizcarte y dices, ¡este es el agujero negro en el centro de nuestra galaxia!” dijo Katie Bouman, profesora asistente en Caltech y miembro del equipo de EHT. «Es bastante sorprendente… que realmente pudiéramos hacer esto».

Las estrellas estables viven en un estado de «equilibrio hidrostático», equilibrando la fuerza de gravedad hacia adentro con el empuje hacia afuera de la generación de radiación por reacciones de fusión en el núcleo. En el sol, 600 millones de toneladas de hidrógeno se fusionan en helio cada segundo para producir la presión de radiación hacia el exterior necesaria para compensar la gravedad y mantener la estabilidad.

Cuando las estrellas más pequeñas como el sol finalmente se quedan sin combustible nuclear durante miles de millones de años, sus núcleos colapsan hasta un punto en el que las fuerzas cuánticas, no la fusión, mantienen la estabilidad. Estas estrellas muertas que se enfrían lentamente se conocen como enanas blancas.

Cuando las estrellas más masivas se quedan sin combustible, el colapso del núcleo continúa más allá de la etapa de enana blanca.

Para el colapso de núcleos con hasta tres veces la masa del sol, el resultado es una estrella de neutrones, que concentra más del doble de la masa del sol de la Tierra en un cuerpo de menos de 10 millas de diámetro. Las estrellas de neutrones, sustentadas por un tipo diferente de fuerza cuántica, son los objetos más densos del universo visible.

Para estrellas aún más masivas, les espera un destino diferente. La gravedad supera todas las fuerzas nucleares conocidas y el colapso del núcleo avanza más allá del punto en el que desaparece del universo visible, dejando atrás nada más que un «pozo de gravedad» enormemente concentrado de espacio profundamente distorsionado.

Tales remanentes se conocen como agujeros negros de masa estelar porque se forman por la muerte de una sola estrella.

Se han encontrado un puñado de agujeros negros de masa intermedia más grandes, posibles peldaños para la formación de los agujeros negros supermasivos que ahora se cree que existen en los núcleos de todas las galaxias principales. Pero los detalles de cómo se forman agujeros tan grandes aún no están claros.

Un objetivo principal del telescopio espacial James Webb recientemente lanzado es ayudar a los astrónomos a trazar la formación y el crecimiento de tales agujeros negros después del Big Bang.

“Ojalá pudiera decirles que la segunda vez es tan buena como la primera para obtener imágenes de agujeros negros”, dijo Özel. Pero eso no sería cierto. En realidad es mejor. Ahora sabemos que no fue una coincidencia, no fue algún aspecto de los entornos que se parecía al anillo que esperábamos ver.

“Ahora sabemos que en ambos casos, lo que vemos es el corazón del agujero negro, el punto de no retorno. … El espacio-tiempo, el tejido del universo, se deforma alrededor de los agujeros negros exactamente de la misma manera, independientemente de su masa o de lo que los rodea”.