AGUJERO NEGRO M87

La imagen de un agujero negro, fotografiado por primera, vez ha causado una gran cantidad de noticias y publicaciones. El resultado, una imagen del agujero negro situado en el centro de la galaxia Messier 87, una galaxia elíptica gigante en el Cumulo de Virgo, por lo que tambien es conocida como Galaxia Virgo A. Se caracteriza por tener un núcleo galáctico muy activo con una gran intensidad de radiación en la zona de radiofrecuencia. En su núcleo se observa una chorro de plasma que se extiende unos 4900 años luz, consecuencia de la actividad del agujero negro que se ha fotografiado.

La imagen muestra una anillo brillante curvado debido a la intensa fuerza gravitatoria del agujero negro, situado a la distancia de 55 millones de años luz.

CHORRO DE PLASMA O JET

M87 es una galaxia elíptica situada en el centro del Cúmulo de Virgo, una agrupación de miles de galaxias que se mueven juntas por el espacio, como un inmenso rio cósmico.  El diámetro de M87 es un poco mayor que el de nuestra galaxia Vía Láctea, pero más gruesa, por eso contiene muchas más estrellas.

M87 fue una de las primeras galaxias donde se observó la presencia de un inmenso agujero negro en su núcleo, a partir de las observaciones realizadas en la década de los 80. Aunque sus observaciones peculiares empiezan ya en 1917, entonces los astrónomos ya sospechaban que algo curioso ocurría. Herbert Curtis en 1918 descubrió un pequeño chorro de energía saliendo del núcleo. Investigaciones con radiotelescopios en la década de los 50 detectaron grandes emisiones de energía procedentes de la galaxia.

El telescopio espacial Hubble en 1998 consiguió fotografiar el chorro cósmico o Jet de M87.

Jet en M87

Posteriormente en 2006, con las modificaciones que se le hicieron pudo fotografiar la posición del masivo agujero negro, determinando que su posición se encontraba desplazada del centro galáctico unos 22 años luz. Detectó tambien nubes de gas que giran en forma espiral alrededor del agujero negro a grandes velocidades.

De esta manera surgió la idea de poder fotografiar con mayor detalle este agujero negro.

AGUJERO NEGRO

Los agujeros negros son una predicción de la teoría general de la relatividad de Einstein en 1915, aunque él mismo creía que no podrían existir. Suponía que las enormes fuerzas centrifugas romperían su formación, pero se equivocó. Schwarzschild en 1916 definió el horizonte de sucesos, una región del espacio-tiempo en torno al agujero negro donde ni tan siquiera la luz no puede escapar, que actualmente se denomina radio de Schwarzschild. Durante estos cien años las ideas teóricas de los agujeros negros han ido creciendo espectacularmente. Uno de sus máximos impulsores fue John Archival Wheeler.

John Archival Wheeler

Precisamente Wheeler se invento el nombre de agujero negro (black hole) durante una conferencia en Nueva York en el año 1967. En 1973 escribo el famoso libro “Gravitation” conjuntamente con Misner y Kip Thorne.

De esta manera los agujeros negros se han convertido en el protagonista de la astrofísica, se han detectado numerosamente desde fuentes de rayos X hasta recientemente (2016) mediante ondas gravitacionales. Se cree que existen supermasivos agujeros negros con masas desde millones a miles de millones de masas solares en el centro de casi todas las galaxias. Cabe destacar que precisamente la gran actividad del núcleo galáctico de M87 fue el indicio de la posible existencia del agujero negro que se ha fotografiado.

Esta actividad se caracteriza por un brillo muy intenso en el centro galáctico, muy superior al brillo de todas las estrellas de la galaxia, y esta generada por un objeto de enorme masa y gran densidad. La Teoría General de la Relatividad (TGR) indica que una gran densidad de masa distorsiona el espacio-tiempo a su alrededor, formando una intensa fuerza gravitatoria. Conviene destacar que en estas condiciones incluso la luz se curva cuando pasa cerca de este objeto supermasivo.

Todos estos efectos predichos por la TGR se amplifican cerca de un agujero negro, donde la curvatura del espacio-tiempo es extremadamente intensa, tan intensa que empieza a tragarse todo lo que hay a su alrededor. Como ejemplo tenemos el nombre de Gargantua, el agujero negro de la película Interestelar. De esta manera las estrellas situadas en su vecindad empiezan a ser atraídas hacia el agujero negro con una fuerza gravitatoria que aumenta cada vez más a medida que se va acercando. Llega un momento que la fuerza es tan intensa que arranca literalmente pedazos de la estrella, hasta que se convierte en un gas de partículas orbitando en espiral a su alrededor, como un remolino, con enormes aceleraciones y velocidades que lo comprimen. Debido a que el gas que esta en el interior gira mucho más rápidamente que el situado en el exterior, se producen intensos campos magnéticos y un gran rozamiento que calientan el gas hasta millones de grados centígrados, formado lo que se llama un disco de acreción de plasma. Con motivo de estas temperaturas y aceleraciones se produce una gran emisión de radiación electromagnética (radiación de sincrotrón) en en espectro de radio, rayos X y rayos gamma. Esta radiación procedente del disco de acreción es lo que puede observarse. Parte de este gas cae dentro del agujero negro y una parte logra escapar produciendo estos enormes jets de miles de años luz de longitud que se observan en M87.

Las observaciones sobre el agujero negro indican una masa de 6500 millones la del Sol y un diámetro de 40 mil millones de kilómetros, cerca de cuatro veces el diámetro de la órbita de Neptuno. Las consecuencias de este supermasivo agujero negro pueden ser algo parecido a la siguiente imagen donde se muestra una simulación del disco de acreción en torno al agujero negro y tres posibles imágenes de la sombra en el horizonte de sucesos.

La sombra del horizonte de sucesos

Observar la sombra que se genera en el horizonte de sucesos es una manera de comprobar si la teoría de la relatividad general sigue siendo válida en estas condiciones extremas. La TRG predice que la luz o fotones emitidos por el gas cayendo hacia el agujero negro tienen que curvarse formando un anillo de luz justo antes de desaparecer dando lugar a una zona oscura en las inmediaciones del agujero negro. El resultado es una silueta del agujero negro como una forma oscura sobre un fondo brillante proveniente de la materia circundante, deformada por una fuerte curvatura del espacio-tiempo, generando como una sombra. La forma y tamaño de esta sombra dependerá de la masa y de la rotación del agujero negro, pero la TGR predice que tiene que ser aproximadamente circular. Observando pues la forma de la sombra oscura podemos comprobar si la TRG funciona.

EVEN HORIZON TELESCOPE (EHT)

Para poder tomar la fotografía es necesario obtener los datos con elevada precisión y no existe ningún telescopio o radiotelescopio con la resolución adecuada para observar UN agujero negro tan distante. Para ello el equipo del Even Horizon Telescope (EHT) utiliza la técnica de la interferometrÍa de muy larga base o VLBI (Very Long Baseline Interferometry). La idea es utilizar distintos radiotelescopios repartidos por la superficie de la Tierra de manera que la combinación de sus datos produzca un radiotelescopio virtual del tamaño de la Tierra.

Radiotelescopios que forman el VLBI

La adquisición de los datos se realizó en el año 2017, en abril, los días 5, 6, 10 y 11, pues las condiciones atmosféricas eran las adecuadas, consiguiendo un total de 4 petabytes de información. Si estos datos fueran música en MP3, se tardaría 8000 años en escucharla completa.

LA FOTOGRAFIA

El análisis de los datos son compatibles con la descripción de un disco de acreción altamente caliente, turbulento y magnetizado orbitando un agujero negro rotatorio ( agujero negro de Kerr) y que produce un extenso jet.

Hay que tener en cuenta que estas imágenes han sido obtenidas a partir de luz no visible para el ojo humano, los radiotelescopios han captado la luz procedente de M87 en el espectro del infrarrojo y las microondas

Imágenes tomadas en distintos días

La imagen corresponde a un disco de acreción altamente magnetizado orbitando muy cerca del horizonte de sucesos de un agujero negro que esta girando en sentido horario. El anillo asimétrico es producido por el efecto de la distorsión del espacio-tiempo y el movimiento relativista del gas. El centro es la observación de la sombra del agujero negro. El gas situado en la parte inferior se esta moviendo hacia la Tierra y el gas situado en la parte superior se aleja de la Tierra, de ahí la diferencia de brillo.

Para más información sobre agujeros negros:

Agujero Negro Galáctico M87

Breve Historia de los Agujeros Negros

Energía de los Agujeros Negros

De la Mecánica Cuántica a los Agujeros Negros

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Acerca de Carles Paul

Licenciado en Ciencias Físicas por la Universidad de Barcelona, Master en Física y Matemática Aplicada por la Universidad Politécnica de Cataluña y Master en Historia de la Ciencia por la Universidad Autónoma de Barcelona. Técnico Experto Evaluador Europeo. Profesor titulado de física y matemáticas de la Politècnica de Mataró, des de 1991. Director Científico de Innovem.
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