Por Eduardo M. Gutiérrez
Los agujeros negros son probablemente los objetos más intrigantes del universo. Predichos por la Teoría General de la Relatividad de Albert Einstein, se convirtieron a partir de la década de 1960 en el elemento central de una gran variedad de fenómenos astrofísicos, desde núcleos galácticos activos y microcuásares, hasta erupciones de rayos gamma. No obstante, más allá del extenso conocimiento teórico y observacional sobre lo que sucede en sus alrededores, hasta ahora nunca habíamos visto uno. Todas las imágenes y representaciones gráficas de agujeros negros hasta la fecha eran, en el mejor de los casos, el resultado de sofisticadas simulaciones computacionales, y las evidencias que teníamos de su existencia eran indirectas. La más importante de estas evidencias fue la detección, en 2015, de las ondas gravitacionales producidas por la fusión de dos de estos objetos.
El pasado 10 de Abril esto cambió para siempre. En una serie de seis conferencias paralelas en distintos lugares del mundo, la colaboración internacional Event Horizon Telescope (EHT, telescopio del horizonte de eventos) presentó la primera imagen real de un agujero negro. La misma muestra una región muy pequeña en el cielo, en la parte central de la galaxia elíptica Messier 87, en la cual se puede apreciar un curioso disco oscuro rodeado por un anillo brillante.
El lector quizás se pregunte cómo es que pudimos ver algo que se supone no se puede ver; y, en efecto, los agujeros negros son regiones del espacio-tiempo de las cuales nada, ni siquiera la luz, puede escapar. Son, por definición, completamente oscuros. Entonces ¿qué es lo que se ve en la imagen?
Como la mayoría de los objetos astrofísicos, los agujeros negros no se encuentran aislados. En particular, los que yacen en el centro de la mayoría de las galaxias como M87, suelen estar rodeados de enormes cantidades de gas que durante su caída hacia el agujero se calientan, debido a la fricción, hasta temperaturas altísimas. El gas puede alcanzar más de mil millones de grados centígrados! (considérese que el núcleo del Sol, donde se produce toda su energía, está a unos pocos millones de grados, y su superficie a “sólo” 6000 grados.) A estas temperaturas tan extremas los electrones se encuentran libres y moviéndose caóticamente a velocidades cercanas a la de la luz. Adicionalmente, estos ambientes hostiles presentan campos magnéticos muy intensos que aceleran los electrones haciéndolos emitir radiación electromagnética: la luz que vemos en la imagen. Más importante aún, y lo que hace a esta imagen única, son los efectos que produce la presencia del agujero negro sobre la luz.
El campo gravitatorio en las cercanías de estos objetos es tan intenso que las trayectorias de los rayos de luz se curvan al punto que estos pueden llegar a orbitar alrededor del agujero (en una región conocida como esfera de fotones). En el panel superior de la figura de la derecha se muestra un esquema de un agujero negro (circunferencia negra) junto con algunas trayectorias posibles para los rayos de luz producidos en sus cercanías. Aquellas que se muestran en naranja son trayectorias de rayos producidos por el gas caliente que está cayendo al agujero negro, mientras que las negras son las trayectorias que tendrían hipotéticos rayos de luz que pudieran salir del agujero (recordemos que no pueden hacerlo).
En el panel inferior se muestra una representación de lo que veríamos nosotros como resultado de la suma de todas esas complicadas trayectorias de los rayos de luz: una sombra negra central, de mayor diámetro que el real del agujero negro, bordeada por un intenso anillo de luz debido a los rayos que pasaron “rozando” al agujero negro (por la esfera de fotones) y lograron escapar y llegar hasta nosotros. Esto es exactamente lo que se observa en la imagen obtenida por la colaboración EHT. Adicionalmente, dicha imagen se percibe significativamente más brillante en su parte inferior. Esto se debe a un efecto conocido como beaming relativista: las partículas que se mueven a velocidades muy altas emiten la mayoría de la luz en la dirección en la que se están moviendo. Como el gas alrededor del agujero se mueve a enormes velocidades percibimos este efecto. La parte inferior del disco brillante de la imagen es producida por gas que se está acercando hacia nosotros, mientras que la parte superior es emitida por gas que se aleja.
En resumen, todas las particularidades de la imagen son perfectamente compatibles con la presencia de un agujero negro tal y como lo predice la Relatividad General.
¿Cómo se obtuvo la imagen?
El agujero negro en el centro de Messier 87 tiene una masa de 6 mil millones de Soles, por lo que su tamaño es mayor incluso que el de todo nuestro Sistema Solar. No obstante, al encontrarse esta galaxia a 55 millones de años luz de nosotros, divisar este colosal agujero negro es equivalente a, por ejemplo, leer con claridad un diario en Nueva York, pero estando en París. Adicionalmente, en las galaxias ocurren muchísimos otros procesos astrofísicos que también producen luz. Para poder distinguir aquella que viene de su región más interna es necesario observar en un rango de frecuencias muy particular del espectro electromagnético, precisamente en la banda de radio ondas. Es fácil estimar que para lograr la precisión requerida en este caso se necesitaría un radiotelescopio del tamaño de toda la Tierra! Algo completamente imposible.
En 2009 se formó la colaboración EHT con el objetivo de integrar una red de varios radio observatorios en distintas partes del mundo mediante una técnica conocida como interferometría de larga base. Dicha técnica permite, utilizando sofisticados algoritmos computacionales, simular la resolución de un telescopio tan grande como la distancia entre los observatorios (es decir, comparable al tamaño de la Tierra). En el mes de Abril de 2017, durante cuatro jornadas, la colaboración realizó observaciones simultáneas del centro de Messier 87 utilizando 8 radio observatorios, y recolectó más de 5 Petabytes (5 mil terabytes) de datos. Estos debieron ser almacenados en discos duros portátiles y ser trasladados en avión hasta las centrales de procesamiento en el Max Planck Institute for Radio Astronomy, en Alemania, y en el MIT Haystack Observatory, en USA. Durante los dos años subsiguientes, los más de 200 científicos de la colaboración trabajaron sobre las observaciones (procesamiento, reducción, análisis, etc.), para finalmente obtener la tan ansiada imagen de un agujero negro, sin duda una de las más importantes de la historia del conocimiento humano.
Sobre el autor
Eduardo es Licenciado en Astronomía por la UNLP. Docente en la FCAGLP y en la Facultad de Ing. UNLP. Becario doctoral del CONICET en el IAR, trabajando sobre procesos radiativos en la vecindad de agujeros negros acretantes.