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La impresionante primera imagen del agujero negro de nuestra galaxia

Los astrónomos conseguido la primera imagen del agujero negro supermasivo que hay en el centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea.

La imagen fue producida por un equipo de investigación global llamado Event Horizon Telescope (EHT) Collaboration, utilizando observaciones de una red mundial de radiotelescopios.

Imagen de Sagitario A* el agujero negro del centro de nuestra galaxia. Créditos; EHT

Aunque no podemos ver el agujero negro en sí, porque está completamente oscuro, el gas brillante que lo rodea revela una firma reveladora: una región central oscura (llamada «sombra») rodeada por una estructura similar a un anillo brillante. La nueva vista captura la luz desviada por la poderosa gravedad del agujero negro, que es cuatro millones de veces más masivo que nuestro Sol.

Estas observaciones sin precedentes han mejorado enormemente nuestra comprensión de lo que sucede en el centro de nuestra galaxia y puede ofrecer nuevos conocimientos sobre cómo estos agujeros negros gigantes interactúan con su entorno.

 Para obtener esta imagen, el equipo creó el poderoso EHT, que unió ocho observatorios de radio existentes en todo el planeta para formar un solo telescopio virtual del tamaño de la Tierra. El EHT observó a Sgr A* en varias noches, recopilando datos durante muchas horas seguidas, de forma similar al uso de un tiempo de exposición prolongado en una cámara.

El avance sigue al lanzamiento de la colaboración EHT en 2019 de la primera imagen de un agujero negro, llamado M87* en el centro de la galaxia Messier 87 más distante.

Los dos agujeros negros se ven notablemente similares, a pesar de que el agujero negro de nuestra galaxia es más de mil veces más pequeño y menos masivo que M87*. Son dos tipos completamente diferentes de galaxias y dos masas de agujeros negros muy diferentes, pero cerca del borde de estos agujeros negros se ven increíblemente similares. Esto nos dice que la Relatividad General gobierna estos objetos de cerca, y cualquier diferencia que veamos más lejos debe deberse a diferencias en el material que rodea los agujeros negros.

Este logro fue considerablemente más difícil que para M87*, aunque Sgr A* está mucho más cerca de nosotros, lo que ocurre es que el gas en las cercanías de los agujeros negros se mueve a la misma velocidad: casi tan rápido como la luz, alrededor de Sgr A* y M87*. Pero donde el gas tarda de días a semanas en orbitar el M87* más grande, en el Sgr A*, mucho más pequeño, completa una órbita en menos minutos. Esto significa que el brillo y el patrón del gas alrededor de Sgr A* estaba cambiando rápidamente mientras la Colaboración EHT lo observaba, un poco como tratar de tomar una imagen clara de alguien que no para de moverse.

Los investigadores tuvieron que desarrollar nuevas herramientas sofisticadas que explicaran el movimiento de gas alrededor de Sgr A*. Si bien M87* era un objetivo más fácil y estable, con casi todas las imágenes con el mismo aspecto, ese no fue el caso de Sgr A*. La imagen del agujero negro Sgr A* es un promedio de las diferentes imágenes que extrajo el equipo, revelando finalmente al gigante que acecha en el centro de nuestra galaxia por primera vez.

Los científicos están particularmente emocionados de tener finalmente imágenes de dos agujeros negros de tamaños muy diferentes, lo que ofrece la oportunidad de comprender cómo se comparan y contrastan. También han comenzado a utilizar los nuevos datos para probar teorías y modelos sobre cómo se comporta el gas alrededor de los agujeros negros supermasivos. Este proceso aún no se comprende por completo, pero se cree que juega un papel clave en la formación y evolución de las galaxias

Para saber más:

Se detecta por primera vez a un agujero negro tragándose una estrella de neutrones

El impresionante evento de un agujero negro tragándose a una estrella de neutrones se han convertido en un nuevo y espectacular cataclismo estelar detectado por primera vez. Los astrofísicos han observado decenas de fusiones de pares de agujeros negros y varias fusiones de pares de estrellas de neutrones. Pero un choque entre un agujero negro y una estrella de neutrones no se había detectado hasta la fecha. Ahora, los investigadores han observado las ondas gravitacionales causadas por tal colosal colisión.

Las dos nuevas detecciones se produjeron en enero de 2020, con tan solo 10 días de diferencia, las colisiones se conocen como GW200105 y GW200115 por las fechas en las que se observaron. Una fue detectada por los dos detectores gemelos del Observatorio de ondas gravitacionales del interferómetro láser (LIGO) y el detector Virgo similar de Europa, el otro solo por uno de los detectores LIGO y Virgo.

GW200115 fue muy bien detectada y observada por las tres instalaciones. Los científicos creen se produjo por un agujero negro de casi seis veces la masa de nuestro sol devorando una estrella de neutrones con una masa la mitad de la de nuestro sol, y que la fusión tuvo lugar entre 650 millones y 1,5 mil millones de años luz de distancia.

GW200105 no se detectó de manera tan clara, pero los científicos sospechan que fue una fusión entre un agujero negro de aproximadamente nueve veces la masa del sol y una estrella de neutrones aproximadamente dos veces más masiva que el sol a unos 550 millones y 1.300 millones de años luz de distancia.

Agujero negro y estrella de neutrones

Los científicos aún no están seguros de si estas fusiones mixtas crean una señal de luz visible (como parecen hacer los pares de estrellas de neutrones que se fusionan ) o no (como en el caso de las fusiones binarias de agujeros negros). Los astrónomos no pudieron igualar ninguna de estas nuevas detecciones de ondas gravitacionales con observaciones de ondas de luz, pero eso no significa necesariamente que no haya tal destello correspondiente. 

¿Qué son las ondas gravitacionales?

Las Ondas gravitacionales fueron predichas por el físico Albert Einstein en 1916, como consecuencia de su teoría de la relatividad general. Las ondas gravitacionales son ondulaciones en el tejido del espacio – tiempo producidas por un cuerpo masivo acelerado, son acontecimientos muy violentos en el universo distante, por ejemplo, por la colisión de dos agujeros negros o por explosiones de supernovas .

ondulaciones espacio tiempo
Ondulaciones del espacio tiempo

Ondulaciones en el espacio-tiempo generadas por las estrellas de órbitas muy rápidas (estrellas de neutrones, enanas blancas o agujeros negros). ver animación

En la teoría de Einstein de la relatividad general,la gravedad es tratada como un fenómeno resultante de la curvatura del espacio-tiempo. Esta curvatura es causada por la presencia de masa. Generalmente, cuanto más masa esté contenida dentro de un volumen determinado del espacio, mayor es la curvatura del espacio-tiempo en el límite de este volumen.  Como objetos con masa se mueven en el espacio-tiempo, la curvatura cambia para reflejar las distintas ubicaciones de esos objetos. En ciertas ocasiones, los objetos muy acelerados generan cambios en esta curvatura, que se propagan hacia el exterior a la velocidad de la luz en una forma de onda. Estos fenómenos de propagación son conocidos como ondas gravitacionales.

Estas ondulaciones en el tejido espacio-temporal puede  llevar información acerca de sus violentos orígenes y sobre la naturaleza de la gravedad que no puede ser obtenida por otras herramientas astronómicas. La influencia de las emisiones de ondas gravitacionales en los sistemas de púlsar binario (dos estrellas de neutrones orbitando entre sí) se han medido con precisión y está en excelente acuerdo con las predicciones:

ondas gravitacionles

En 1993, los científicos Russell Hulse y Joseph Taylor recibieron el Premio Nobel por este trabajo (realizado en los años 70 y 80).
Por fin un proyecto científico las ha detectado, el proyecto LIGO (Estados Unidos), que han sido premio novel.

Fue el Premio Nobel de Física 2017 que fue otorgado para los físicos: Raider Weiss, Barry C. Barish y Kip S. Thorne, por la primera observación experimental directa de las ondas gravitacionales. Fue el 14 de septiembre de 2015 cuando se observaron estas ondas tan especiales, de las cuales Albert Einstein ya había predicho su existencia 100 años antes. Los tres investigadores fueron los artífices de la cooperación internacional que permitió la implementación de los instrumentos Ligo y Virgo.

Las ondas gravitatorias tienen propiedades muy importantes y únicas. Una de las más importantes es que las ondas gravitatorias pueden pasar a través de cualquier medio sin ser dispersada de manera significativa. Mientras que, por ejemplo, la luz de las estrellas distantes pueden ser bloqueados por el polvo interestelar las ondas gravitacionales pasarán sin impedimentos.Estas características permiten a las ondas gravitacionales llevar información sobre fenómenos astronómicos nunca antes observadas por los seres humanos. Por lo tanto se nos abre un camino increíble en el estudio del Cosmos.

Para saber más:

Artículo del descubrimiento: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac082e#apjlac082es6

Recomendación:

Nuestro primer libro de astronomía: «Curiosidades Astronómicas» en el que entre muchos temas hablamos también de las ondas gravitacionales.

Libro «Curiosidades Astronómicas»
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Acercándose al corazón de M87 para ver una nueva vista de su agujero negro

En el vídeo que podéis ver a continuación se hace un tremendo zoom que comienza con una vista del telescopio ALMA, que forma parte del Event Horizon Telescope, hacia el corazón de la galaxia M87, mostrando sucesivamente observaciones más detalladas. Al final del video, vemos la primera imagen de un agujero negro, lanzada por primera vez en 2019, seguida de una nueva imagen lanzada en 2021 en la que se ve este objeto supermasivo en luz polarizada. Esta es la primera vez que los astrónomos han podido medir la polarización, una firma de campos magnéticos, tan cerca del borde de un agujero negro.

Créditos: ESO/L. Calçada, Digitized Sky Survey 2, ESA/Hubble, RadioAstron, De Gasperin et al., Kim et al., EHT Collaboration. Music: Niklas Falcke

Los agujeros negros están envueltos en plasma. Este plasma tiene campos magnéticos, áreas donde el magnetismo afecta la forma en que se mueve la materia, entretejidos. A medida que el campo magnético se hace más fuerte, cambia de forma y la luz polarizada exhibe diferentes patrones.

La luz es una onda electromagnética oscilante. Si las ondas tienen una dirección de oscilación preferida, están polarizadas. En el espacio, el gas caliente en movimiento, o «plasma», enhebrado por un campo magnético, emite luz polarizada.   Los rayos de luz polarizados que logran escapar de la atracción del agujero negro han sido por fin observados. La intensidad de los rayos de luz y su dirección es lo que observamos con el Event Horizon Telescope.

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Los telescopios más poderosos del mundo se unen para dar las mejores imágenes del agujero negro más famoso de la historia

En el año 2019 el Event Horizon Telescope (EHT) obtuvo la primera e histórica imagen directa de un agujero negro supermasivo, concretamente el que hay el centro de la galaxia M87. Este agujero negro supermasivo pesa 6.500 millones de veces la masa del Sol y está ubicado en el centro de M87, a unos 55 millones de años luz de la Tierra. El agujero negro supermasivo está impulsando chorros de partículas que viajan casi a la velocidad de la luz. Estos chorros producen luz que abarca todo el espectro electromagnético, desde ondas de radio hasta luz visible y rayos gamma.

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En una búsqueda por aprender aún más sobre este mediático agujero negro se han obtenido y recopilado observaciones de 19 de los telescopios más poderosos del mundo que han recolectado luz de todo el espectro, creando el siguiente impresionante vídeo:

Crédito de la imagen: Grupo de trabajo científico de longitud de onda múltiple de EHT; la Colaboración EHT; ALMA (ESO / NAOJ / NRAO); el EVN; la Colaboración EAVN; VLBA (NRAO); el GMVA; el telescopio espacial Hubble; el Observatorio Swift de Neil Gehrels; el Observatorio de rayos X Chandra; la matriz de telescopios espectroscópicos nucleares; la Colaboración Fermi-LAT; la colaboración H.E.S.S; la colaboración MAGIC; la colaboración VERITAS; NASA y ESA.


Los detalles más pequeños que pueden ver EHT, Chandra y Fermi son 0,0067, 130 y 330 000 años luz, respectivamente. Solo el EHT puede detectar la sombra del agujero negro y, en el otro extremo, Fermi no puede determinar si la emisión de rayos gamma que detecta proviene de regiones cercanas al agujero negro o del chorro.

Los telescopios de la NASA involucrados en esta campaña de observación incluyeron el Observatorio de rayos X Chandra, el Telescopio Espacial Hubble, el Observatorio Swift Neil Gehrels, el Arreglo del Telescopio Espectroscópico Nuclear (NuSTAR) y el Telescopio Espacial Fermi de Rayos Gamma.

Comenzando con la imagen icónica del EHT de M87, el vídeo nos lleva a un viaje a través de los datos de cada telescopio. El vídeo muestra datos en muchos factores de diez en escala, tanto de longitudes de onda de luz como de tamaño físico. La secuencia comienza con la imagen EHT del agujero negro en M87 publicada en abril de 2019 (los datos se obtuvieron en abril de 2017). Luego se mueve a través de imágenes de otros conjuntos de radiotelescopios de todo el mundo, moviéndose hacia afuera en el campo de visión durante cada paso. (La escala para el ancho de los cuadrados se da en años luz en la esquina inferior derecha).

A continuación, la vista cambia a telescopios que detectan luz visible (Hubble y Swift), luz ultravioleta (Swift) y rayos X (Chandra y NuSTAR). La pantalla se divide para mostrar cómo estas imágenes, que cubren la misma cantidad de cielo al mismo tiempo, se comparan entre sí. La secuencia termina mostrando lo que los telescopios de rayos gamma en el suelo y Fermi en el espacio detectan desde este agujero negro y su chorro.

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Los agujeros negros más grandes del universo conocido

En el centro de la mayoría de las galaxias nos encontramos con agujeros negros supermasivos con masas del orden de millones a miles de millones de veces la del nuestra estrella, el Sol. Por ejemplo, en el corazón de nuestra galaxia, la Vía Láctea, se encuentra Sagitario A *, que tiene un tamaño de aproximadamente 4,5 millones de masas solares. 

Actualmente hay varios agujeros negro supermasivos o más bien ultramasivos, como por ejemplo, el agujero negro que alimenta el quásar TON 618 , tiene una masa de 66 mil millones de masas solares y se estima que TON 618 se encuentra a más de 10 mil millones de años luz de distancia en la constelación de Canes Venatici. El agujero negro tiene un radio de 1300 UA (1 unidad astronómica = 150 millones de km, la distancia del Sol a la Tierra), lo que lo hace más grande que nuestro sistema solar (La distancia de Plutón al sol es de aproximadamente 39,5 UA).

Comparación de TON 618 con Sagitario A

El enorme volumen de TON 618 llevó a los científicos a especular si existen o no agujeros negros aún más grandes, y si existe algún límite superior para sus tamaños. De momento no sabemos cómo se forman y crecen estos agujeros negros supermasivos o ultramasivos. Pero TON 618 no es el más grande conocido, se ha descubierto otra bestia galáctica aun más espectacular, se trata de  SDSS J140821.67 + 025733.2 * , el agujero negro más grande actual del Universo , con 196 mil millones de solares. masas, casi 3 veces más, aunque este agujero negro es tan primitivo y se tienen tan pocos datos que aún está en estudio.

Para saber más:

¿Qué es un agujero negro?

Primera imagen de una agujero negro

Agujeros negros supermasivos

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