“Primera imagen directa de un agujero negro”

El pasado miércoles 10 de abril, el auditorio del Instituto de Astronomía y Física del Espacio (IAFE—CONICET-UBA) proyectó la conferencia de prensa mundial en la que el grupo del Event Horizon Telescope (EHT) presentó la primera imagen en radio, en la longitud de onda de 1.3 mm, del entorno cercano a un agujero negro súper-masivo, ubicado en el centro de la galaxia Messier 87 (M87). Estudiantes, becarios e investigadores aplaudieron cuando se mostró la denominada sombra, rodeada por la luz proveniente del disco de acreción alrededor del agujero negro.

El Dr. en Astronomía Igor Félix Mirabel Miquele, lideró durante 30 años descubrimientos sobre agujeros negros de origen y masa estelar que fueron publicados en revistas internacionales, entre ellos, cuatro publicaciones en la revista Nature, y tres en Science. Es Investigador Superior del Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; el Dr. en Física Rafael Ferraro, es Vice Director del IAFE e Investigador Principal de éste Consejo especializado en Relatividad General y electrodinámica no lineal, y el Dr. Gabriel Bengochea, es Dr. en Física e Investigador Adjunto del CONICET especializado en cosmología Inflacionaria y modelos de energía oscura, integrante del Grupo de Gravitación del IAFE.

Diferencias en agujeros negros

Mirabel explica  que el agujero negro que se encuentra en el centro de la Vía Láctea (Sagitario A*) está a una distancia de unos 25.000 años luz de la Tierra. Actualmente nosotros lo vemos “hibernando”.  Pero por observaciones en radiación X de las inmediaciones del agujero negro, sabemos que en el pasado este agujero negro estuvo “activo”, produciendo fenómenos de alta energía. Para que el agujero negro esté activo necesita “alimentarse”, usualmente por medio de un disco de acreción de gas que llega a tener muy altas temperaturas.

El ETH observó los agujeros negros súper-masivos ubicados en los centros de las galaxias M87 y en la Vía Láctea, Sagitario A*. “Este último tiene una pequeña actividad, pero no se compara con la del agujero negro cuya imagen mostraron, correspondiente a la galaxia conocida como M87”

Los agujeros negros “estelares”, que son “cadáveres” de estrellas masivas, aclara el especialista, “tienen un tamaño muchísimo menor, de unos pocos kilómetros, dependiendo de su masa. En el entorno de ellos se observa una fenomenología análoga a la que se observa en los agujeros negros súper-masivos. Las observaciones de agujeros negros estelares y de agujeros negros súper-masivos son complementarias porque revelan y permiten comprender aspectos diferentes de los fenómenos físicos en la presencia de los campos gravitatorios más intensos”.

 “La imaginación es más importante que el conocimiento” Albert Einstein.

Aunque se ha dicho que fue comprobada “una predicción de Einstein”, es necesario mencionar que Einstein creó una teoría relativista para la gravedad, capaz de abarcar muchos fenómenos de índole gravitatoria, algunos de los cuales no podían siquiera imaginarse en la época de su formulación (1915). Así, la solución más simple de agujero negro fue obtenida inmediatamente, en 1916 por Karl Schwarzschild. Pero la idea de “horizonte de eventos” como la superficie que encierra una región de gravedad tan intensa que ni aun la luz puede escapar de ella fue perfilándose más tarde con el trabajo de otros investigadores. Podemos decir entonces que se ha comprobado una predicción de la teoría de Einstein, aunque Einstein mismo no haya acuñado los nombres de “agujero negro” y “horizonte de eventos”, explica el Dr. Ferraro.

“Einstein logra describir la gravitación de una manera totalmente distinta a la de Newton: la gravedad deja de ser una fuerza, para convertirse en un efecto de la geometría del espacio-tiempo. Si un planeta orbita alrededor de una estrella, lo hace porque el espacio-tiempo está curvado alrededor de la estrella y el planeta no tiene más remedio que dejarse llevar por esa curvatura. De esa teoría general surgen luego soluciones particulares de sus ecuaciones, para casos específicos. Las ecuaciones de Einstein son no lineales y difíciles de resolver. La solución más sencilla es la solución de Schwarzschild de 1916, que corresponde a la geometría del espacio-tiempo alrededor de un cuerpo esférico estático. Cuando un planeta orbita lejos de la estrella, donde la gravedad es débil, su movimiento no difiere esencialmente del predicho por Newton. Pero cerca de la estrella, si la masa de la estrella está suficientemente compactada -como sucede con estrellas muy masivas que ya agotaron su energía y colapsaron gravitatoriamente- aparece el fenómeno del horizonte de eventos, que llevó un tiempo interpretar adecuadamente. El radio del horizonte de eventos es proporcional a la masa del objeto, siendo de algunos kilómetros para masas estelares. Estos objetos fueron bautizados como ´agujeros negros` en 1967. En los años 60’s se descubre la fuente de rayos X conocida como Cygnus X-1, que luego fue reconocida como un agujero negro estelar. A diferencia de los agujeros negros de masa estelar, los centros galácticos pueden albergar gigantescos agujeros negros de miles de millones de masas solares, como es el caso de la galaxia M87 a la que corresponde la imagen obtenida por el EHT.”

“La teoría de Einstein también permite describir la geometría del universo como un todo. Sin embargo, cuando Einstein vio que sus ecuaciones tenían como una solución posible la de un universo en expansión, lo primero que pensó es que eso estaba mal, y que debía modificar las ecuaciones para impedir que el universo tuviera esa dinámica. Porque él todavía imaginaba el universo como una cosa estática.”

Desde el aspecto teórico, lo importante de este fantástico anuncio es que “las características que se observan en la imagen obtenida del agujero negro en M87 es que concuerdan muy bien con lo que se esperaba a partir de la Teoría de la Relatividad General. Ésta teoría predice cómo es desviada la luz cercana a un agujero negro y cómo debería ser la forma de la imagen final que un observador distante debería ver”, expresó el Dr. Bengochea. Y menciona que fue asombroso el trabajo en conjunto que logró hacer el equipo del EHT. “El EHT es un radiotelescopio con un diámetro equivalente al del tamaño del planeta Tierra. Se emplearon 8 antenas perfectamente sincronizadas y ubicadas en diferentes puntos del planeta para lograr trabajar en conjunto y de esa manera obtener la resolución necesaria. Es como querer ver desde la Tierra de manera directa una pelota de tenis en la superficie de la Luna. Lo que hasta el día de hoy era imaginación puesta en películas de ciencia ficción se ha convertido en realidad”.

Los jets relativistas

¿Cómo se originan los jets? se preguntó en la conferencia de prensa. Mirabel aclara que “estos Jets, no salen del interior del agujero negro. Provienen de las inmediaciones del horizonte de eventos, y son producidos por mecanismos físicos que fueron brevemente mencionados en la conferencia de prensa por la Dra. Sara Marcoff. Las eyecciones son potenciadas por la rotación del agujero negro y el disco de acreción, más la estructura de campos magnéticos que coliman esas eyecciones en forma de jets que alcanzan velocidades próximas a la velocidad de la luz.”

La génesis y evolución temporal de los “Jets” relativistas es más fácil de observar en los agujeros negros de baja masa porque allí las escalas de tiempo y de distancias de los fenómenos en el entorno de los agujeros negros son proporcionales a la masa del agujero negro. Por medio de observaciones simultáneas a diferentes frecuencias del espectro electromagnético, sabemos cómo estos jets son generados en los agujeros negros estelares. Cuando un agujero negro tiene una masa de 15 masas solares, la fenomenología alrededor del mismo se desarrolla rápidamente, en escalas de tiempo de segundos, minutos y horas, por lo que podemos estudiar su evolución.

Pero para estudiar esa misma fenomenología en un agujero negro súper-masivo de miles de millones de masas solares como en de M87, hay que hacer observaciones espaciadas por decenas y hasta centenas de años. Por eso, las imágenes del agujero negro en M87 con el EHT, espaciadas en algunos días son similares, y de ellas no se ha observado directamente ninguna evolución en el anillo de luz. Los fenómenos en este caso parecen ocurrir en forma mucho más lenta porque las escalas de distancias son enormes. Eso es algo que no se mencionó en la conferencia de prensa.

Por el contrario, las observaciones con el EHT del agujero negro de 4 millones de masas solares en el centro Galáctico, que tiene una masa unas mil veces menor a la masa del agujero negro en M87, quizás podrán revelar cambios en años próximos, y así poder inferir como orbita la materia alrededor del agujero negro, y además, quizás poder inferir la relación entre la materia que se acerca al agujero negro con posibles eyecciones de materia a velocidades relativistas.

Proyectos Event Horizon Telescope (EHT) y Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO): ejemplos de “Gran Ciencia”

Los tres investigadores coinciden en que los proyectos EHT y LIGO se parecen en lo que respecta a la estructura de investigación, por grandes colaboraciones internacionales que involucran técnicos, ingenieros y científicos.

“En LIGO son más de mil personas las que firman las publicaciones”, en EHT algunas centenas, recuerda Mirabel. Su opinión personal es que la detección de ondas gravitacionales fue de gran impacto inmediato con resultados inesperados, como ser, la alta tasa de fusión de agujeros negros estelares con masas de hasta 40 masas solares. La imagen del agujero negro en Messier 87 era algo esperado por modelizaciones teóricas basadas en la Relatividad General. Pero es un gran éxito el haber demostrado por la imagen del circulo oscuro y el anillo de luz en M87, la factibilidad de una técnica de observación con gran potencial, que seguramente producirá en el futuro resultados científicos inesperados”, advirtió.

El Dr. Ferraro realiza un comentario interesante en relación con la utilización de los datos registrados por los observatorios: “Los observatorios cuentan con datos almacenados que son de acceso público, conformándose así un observatorio virtual mundial. Hoy en día puede ocurrir que no se necesiten observaciones nuevas para avanzar en una determinada hipótesis; puede que los datos ya existan. Es cuestión de buscarlos y darle el procesamiento y la interpretación adecuados”.

Bengochea, quien además coordina parte de las actividades de difusión del IAFE reflexiona que “los resultados de los proyectos como éstos también nos permiten acercarle al público general, a través de la divulgación, la cara más moderna de la Astronomía y motivar un mayor interés por la ciencia básica y sus aplicaciones”.