Sagitario A*, La imagen de agujero negro que revela la bestia dentro del corazón de la Vía Láctea

El secreto de Sagitario A*

Hoy, más de tres años después de la publicación de la primera imagen de un agujero negro, los científicos del Event Horizon Telescope (EHT) han compartido una imagen de Sagitario A* (pronunciado estrella A), el espécimen supermasivo situado en el centro de nuestra propia Vía Láctea.

«Es un sueño que se hace realidad tras décadas de trabajo», dijo Heino Falcke, astrofísico de la Universidad de Radboud (Países Bajos). «Siempre supe que este día llegaría, pero nunca esperé que fuera tan claro e impresionante de inmediato».

La imagen revela inmediatamente nueva información sobre el monstruo de la Vía Láctea. «Las principales cosas que descubrimos sobre Sag A* fueron: ¿El agujero negro gira? Sí, lo hace», explica Sara Issaoun, astrofísica y miembro del equipo del EHT.

«¿Y cuál es la orientación del agujero negro con respecto a nosotros? Ahora estamos bastante seguros de que está apuntando más o menos de cara a nosotros», con uno de los polos apuntando en nuestra dirección.

El agujero negro que se muestra en la nueva imagen es muy diferente al de la foto anterior. El otro agujero negro se encuentra en el centro de M87, una enorme galaxia elíptica mucho más masiva que nuestra Vía Láctea en forma de espiral. Ese agujero negro dispara un vasto chorro impulsado por intensos campos magnéticos.

Sagitario A*, en cambio, es 1.000 veces menos masivo que el agujero negro de M87 -4 millones frente a 6.500 millones de masas solares-, por lo que es mucho más difícil de ver a pesar de su relativa proximidad. Y con menos materia arremolinada a su alrededor, Sagitario A* también es más tenue.

«Tiene un suministro de masa muy bajo», afirma Roger Blandford, astrofísico de la Universidad de Stanford que no participa en el EHT. «Ha pasado hambre, esencialmente».

Pero a pesar de estas diferencias, las dos imágenes se parecen notablemente.

«Nos sorprendió que Sag A* se pareciera tanto al famoso agujero negro de la galaxia M87», dijo Issaoun.

«Esta similitud nos revela un aspecto clave de los agujeros negros. No importa su tamaño, ni el entorno en el que viven, una vez que se llega al borde de un agujero negro, la gravedad toma el control».

Para tomar una imagen de Sagitario A*, los investigadores tuvieron que enfrentarse a retos de observación únicos. Sagitario A* es pequeño -sólo 30 veces más ancho que nuestro sol- y está a 27.000 años luz de distancia.

Al ser relativamente pequeño, cualquier actividad en Sagitario A* -como el movimiento del plasma de un billón de grados que lo rodea- se produce 1.000 veces más rápido que en el agujero negro de M87.

«El material se arremolinaba alrededor de Sag A* con tanta rapidez que el aspecto de Sag A* podía cambiar de un minuto a otro», explica Katie Bouman, una informática que ahora trabaja en el Instituto de Tecnología de California y que ayudó a desarrollar un algoritmo para convertir en imagen enormes cantidades de datos del EHT.

El 12 de mayo de 2022, los astrónomos del equipo del Event Horizon Telescope publicaron una imagen de un agujero negro llamado Sagitario A* que se encuentra en el centro de la Vía Láctea. Chris Impey, astrónomo de la Universidad de Arizona, explica cómo el equipo consiguió esta imagen y por qué es tan importante.

«Hemos tardado dos años en publicar los resultados de M87», dijo Huib Jan van Langevelde, de la Universidad de Leiden (Países Bajos), director del EHT. «Estos resultados llegan cinco años después de las observaciones».

Las nuevas imágenes se tomaron en abril de 2017 durante la misma ventana en la que el EHT tomaba la ya famosa imagen del agujero negro de M87. Ocho telescopios recogieron vistas de Sagitario A* en el transcurso de 10 noches consecutivas.

El volumen de información recopilada fue enorme, explica Lindy Blackburn, científico de datos del EHT en el Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica: miles de millones de gigabytes.

Los archivos resultantes eran demasiado grandes para salir por Internet. En su lugar, se transportaron físicamente más de 1.000 discos duros a dos instalaciones de procesamiento, una en el Observatorio Haystack, cerca de Boston, y otra en el Instituto Max Planck de Radioastronomía, en Bonn (Alemania).

El EHT utiliza una técnica llamada interferometría de línea de base muy larga para producir sus imágenes, convirtiendo la Tierra en un gigantesco telescopio virtual al combinar las vistas de múltiples observatorios desde el Polo Sur hasta España. La dispersión de los telescopios puede crear imágenes más nítidas, al igual que un espejo más grande en un telescopio óptico ofrece mejores vistas. Sólo que, en este caso, las observaciones se realizaron a una longitud de onda de 1,3 milímetros, en lugar de la longitud de onda de la luz visible.

«Esa longitud de onda es un punto dulce», dijo Carl Gwinn, astrofísico de la Universidad de California en Santa Bárbara que no participó en el resultado.

Permitió a los astrónomos mirar a través del gas caliente que rodea a un agujero negro supermasivo, pero también proporcionó la resolución necesaria para revelar la sombra resultante de su horizonte de sucesos, el punto en el que ninguna luz puede escapar.

Cuatro complejos de telescopios

Ocho observatorios participaron en las observaciones de 2017, incluyendo (en el sentido de las agujas del reloj desde la parte superior izquierda) el Gran Telescopio Milimétrico en México; el Telescopio del Polo Sur, que se muestra aquí iluminado por la aurora austral y la Vía Láctea; el Telescopio Submilimétrico en el Monte Graham en Arizona; y el Conjunto Submilimétrico en la cima de Maunakea en la Isla Grande de Hawái.

La obtención de imágenes de Sagitario A* es el resultado final de décadas de observaciones que comenzaron con nuestros primeros indicios de su presencia en 1918, cuando el astrónomo Harlow Shapley observó por primera vez que las estrellas se congregaban hacia el centro de la Vía Láctea.

Observaciones posteriores detectaron potentes emisiones de radio procedentes de ese lugar, lo que apuntaba a la presencia de un objeto masivo pero compacto, probablemente un agujero negro, un fenómeno predicho por la teoría general de la relatividad de Einstein.

En el siglo XXI, los científicos consolidaron esta idea siguiendo el movimiento de las estrellas, investigación que fue galardonada con el Premio Nobel de Física 2020. Una estrella en particular, llamada S2, tiene una órbita elíptica de 16 años que los científicos pudieron seguir en su totalidad, obteniendo una visión clara (aunque indirecta) del agujero negro.

«Tiene una trayectoria preciosa», afirma Luciano Rezzolla, astrofísico teórico de la Universidad Goethe de Fráncfort (Alemania) y miembro de la junta directiva del EHT. «Es un regalo que nos ha hecho la naturaleza».

Ahora que hemos visto directamente este agujero negro, los científicos sondearán sus entresijos y lo compararán con su hermano mucho mayor, el M87. «Pasar de una muestra de uno a dos es un gran salto», afirma Sarah Gallagher, de la Western University, una astrofísica que no formó parte de la colaboración del EHT.

Ambas observaciones son gloriosas por derecho propio: resultados hermosos que son «una afirmación del proceso científico», dijo Gallagher.

Pero ver Sagitario A* es un poco más extraordinario para muchos. Es un objeto que nos ha fascinado durante mucho tiempo, y ahora, ante nuestros ojos, nos deslumbra con su danza.

«Este es un logro técnico aún mayor», dijo Blandford. «Esto es algo cercano y personal. Esta es nuestra casa».

¿Qué es Sagitario A*?

En el corazón de la Vía Láctea se encuentra una región conocida como Sagitario A*. Se sabe que esta región alberga un agujero negro supermasivo con millones de veces la masa de nuestro propio Sol. Y con el descubrimiento de este objeto, los astrónomos han encontrado pruebas de que hay agujeros negros supermasivos en los centros de la mayoría de las galaxias espirales y elípticas.

Las mejores observaciones de Sagitario A*, realizadas mediante radioastronomía de línea de base muy larga (VLBI), han determinado que tiene aproximadamente 44 millones de kilómetros de diámetro (esa es la distancia de Mercurio al Sol). Los astrónomos han estimado que contiene 4,31 millones de masas solares.

Por supuesto, los astrónomos no han visto el agujero negro supermasivo en sí. En su lugar, han observado el movimiento de las estrellas en las proximidades de Sagitario A*.

Tras 10 años de observaciones, los astrónomos detectaron el movimiento de una estrella que se acercó a 17 horas-luz de distancia del agujero negro supermasivo; eso es sólo 3 veces la distancia del Sol a Plutón.

Sólo un objeto compacto con la masa de millones de estrellas podría hacer que un objeto de gran masa como una estrella se moviera en esa trayectoria.

Sagitario A* se encuentra en el centro de nuestra Vía Láctea, en dirección a la constelación de Sagitario. Durante décadas, los astrónomos han estado midiendo ráfagas de ondas de radio procedentes de una fuente extremadamente compacta en ese lugar.

En la década de 1980, dos equipos de astrónomos comenzaron a seguir el movimiento de las estrellas cerca de esta misteriosa fuente de ondas de radio.

Observaron que las estrellas giraban en torno a un objeto oscuro a velocidades de hasta un tercio de la velocidad de la luz. Sus movimientos sugerían que en el centro de la Vía Láctea había un agujero negro con una masa 4 millones de veces superior a la del Sol.

Reinhard Genzel y Andrea Ghez compartieron posteriormente el Premio Nobel de Física por este descubrimiento.

El tamaño de un agujero negro se define por su horizonte de sucesos, una distancia desde el centro del agujero negro dentro de la cual nada puede escapar. Los científicos habían podido calcular previamente que Sagitario A* tiene un diámetro de 16 millones de millas (26 millones de kilómetros).

El agujero negro de la Vía Láctea es enorme comparado con los agujeros negros que quedan cuando mueren las estrellas masivas. Pero los astrónomos creen que hay agujeros negros supermasivos en el centro de casi todas las galaxias. Comparado con la mayoría de ellos, Sagitario A* es exiguo y poco llamativo.

¿Qué muestra la nueva imagen?

Es imposible tomar una imagen directa de un agujero negro porque ninguna luz puede escapar de su gravedad. Pero sí es posible medir las ondas de radio emitidas por el gas que rodea a un agujero negro. Colaboración EHT, CC BY-SA

Los agujeros negros en sí mismos son completamente oscuros, ya que nada, ni siquiera la luz, puede escapar a su gravedad. Pero los agujeros negros están rodeados de nubes de gas, y los astrónomos pueden medir este gas para inferir imágenes de los agujeros negros que hay en su interior. La región oscura central de la imagen es una sombra proyectada por el agujero negro sobre el gas.

El anillo brillante es el propio gas que brilla. Los puntos brillantes del anillo muestran zonas de gas más caliente que un día pueden caer en el agujero negro.

Parte del gas visible en la imagen se encuentra en realidad detrás de Sagitario A*. La luz de ese gas está siendo desviada por la poderosa gravedad del agujero negro hacia la Tierra. Este efecto, llamado lente gravitacional, es una predicción central de la relatividad general.

Una masa roja de gas y estrellas en el centro de la Vía Láctea.

Los núcleos galácticos, como el centro de la Vía Láctea que se ve en esta foto, están llenos de gas y escombros, lo que hace muy difícil obtener imágenes directas de las estrellas o los agujeros negros que hay allí. NASA/JPL-Caltech, CC BY-NC

¿Qué se hizo para producir esta imagen?

Los agujeros negros supermasivos son extremadamente difíciles de medir. Están muy lejos y envueltos por el gas y el polvo que obstruyen el centro de las galaxias. Además, son relativamente pequeños en comparación con la inmensidad del espacio. Desde el lugar donde se encuentra Sagitario A*, a 26.000 años luz de distancia en el centro de la Vía Láctea, sólo 1 de cada 10.000 millones de fotones de luz visible puede llegar a la Tierra: la mayoría son absorbidos por el gas que se encuentra en el camino. Las ondas de radio atraviesan el gas mucho más fácilmente que la luz visible, por lo que los astrónomos midieron las emisiones de radio del gas que rodea al agujero negro.

Los colores anaranjados de la imagen son representaciones de esas ondas de radio.

Las líneas que conectan los puntos del globo terráqueo unen ocho zonas diferentes de la Tierra.

Los investigadores utilizaron ocho telescopios de todo el planeta -situados en los puntos de intersección de las líneas blancas- para actuar como un único y enorme telescopio. ESO/L. Calçada, CC BY-ND

El equipo utilizó ocho radiotelescopios repartidos por todo el mundo para recoger datos sobre el agujero negro en el transcurso de cinco noches de 2017. Cada noche generó tantos datos que el equipo no pudo enviarlos a través de Internet: tuvieron que enviar discos duros físicos hasta donde procesaron los datos.

Como los agujeros negros son tan difíciles de ver, hay mucha incertidumbre en los datos que recogen los telescopios. Para convertirlos en una imagen precisa, el equipo utilizó superordenadores para producir millones de imágenes diferentes, cada una de ellas una versión matemáticamente viable del agujero negro basada en los datos recogidos y en las leyes de la física.

A continuación, mezclaron todas estas imágenes para producir la imagen final, bella y precisa. El tiempo de procesamiento fue equivalente a hacer funcionar 2.000 ordenadores portátiles a toda velocidad durante un año.

 Por qué es tan importante la nueva imagen?

En 2019, el equipo del Telescopio Event Horizon publicó la primera imagen de un agujero negro, este en el centro de la galaxia M87. El agujero negro en el centro de esta galaxia, llamado M87*, es un behemoth 2.000 veces más grande que Sagitario A* y 7.000 millones de veces la masa del Sol. Pero como Sagitario A* está 2.000 veces más cerca de la Tierra que M87*, el Telescopio de Horizonte de Sucesos pudo observar ambos agujeros negros con una resolución similar, lo que dio a los astrónomos la oportunidad de aprender sobre el universo comparando ambos.

Dos imágenes paralelas de nubes rojas de gas con forma de rosquilla que rodean a los agujeros negros.

M87*, a la izquierda, es 2.000 veces mayor que Sagitario A*, a la derecha. Los finos círculos blancos indican los tamaños de las órbitas de los planetas del sistema solar. Colaboración EHT (reconocimiento: Lia Medeiros, xkcd), CC BY-ND

La similitud de las dos imágenes es sorprendente porque las estrellas pequeñas y las galaxias pequeñas tienen un aspecto y un comportamiento muy diferente al de las estrellas o galaxias grandes. Los agujeros negros son los únicos objetos existentes que sólo responden a una ley de la naturaleza: la gravedad. Y a la gravedad no le importa la escala.

Durante las últimas décadas, los astrónomos han pensado que hay agujeros negros masivos en el centro de casi todas las galaxias. Aunque M87* es un agujero negro inusualmente enorme, Sagitario A* es probablemente bastante similar a muchos de los cientos de miles de millones de agujeros negros que hay en el centro de otras galaxias del universo.

¿Qué preguntas científicas puede responder esto?

Los datos recogidos por el equipo pueden dar lugar a muchas más preguntas científicas.

Una interesante vía de investigación se deriva del hecho de que el gas que rodea a Sagitario A* se mueve a una velocidad cercana a la de la luz. Sagitario A* es relativamente pequeño y la materia entra en él muy lentamente: si tuviera el tamaño de un ser humano, consumiría la masa de un solo grano de arroz cada millón de años.

Pero al tomar muchas imágenes, sería posible observar el flujo de materia alrededor y dentro del agujero negro en tiempo real. Esto permitiría a los astrofísicos estudiar cómo los agujeros negros consumen materia y crecen.

Una imagen vale más que mil palabras, y esta nueva imagen ya ha generado 10 artículos científicos. Espero que haya muchos más por venir.

Agujero negro supermasivo Sagitario A*

El centro de la Vía Láctea, con el agujero negro supermasivo Sagitario A* (Sgr A*), situado en el centro, se revela en estas imágenes. Los astrónomos han utilizado el Observatorio de rayos X Chandra de la NASA para dar un paso importante en la comprensión de por qué el material que rodea a Sgr A* es extraordinariamente débil en rayos X.

La imagen grande contiene los rayos X de Chandra en azul y la emisión infrarroja del telescopio espacial Hubble en rojo y amarillo.

El recuadro muestra un primer plano de Sgr A* sólo en rayos X, cubriendo una región de medio año luz de ancho. La emisión difusa de rayos X procede del gas caliente capturado por el agujero negro y atraído hacia el interior. Este gas caliente se origina en los vientos producidos por una distribución en forma de disco de estrellas masivas jóvenes observadas en el infrarrojo.

Estos nuevos hallazgos son el resultado de una de las mayores campañas de observación jamás realizadas por Chandra.

Durante 2012, Chandra recogió observaciones de unas cinco semanas para captar imágenes de rayos X y firmas de energía sin precedentes del gas de varios millones de grados que se arremolinaba alrededor de Sgr A*, un agujero negro con una masa de unos 4 millones de veces la del Sol.

A tan sólo 26.000 años luz de la Tierra, Sgr A* es uno de los pocos agujeros negros del universo en los que podemos ser testigos del flujo de materia en sus proximidades.

Los autores deducen que menos del 1% del material que se encuentra inicialmente dentro de la influencia gravitatoria del agujero negro alcanza el horizonte de sucesos, o punto de no retorno, porque gran parte de él es expulsado.

En consecuencia, la emisión de rayos X del material cercano a Sgr A* es notablemente débil, como la de la mayoría de los agujeros negros gigantes de las galaxias del Universo cercano.

El material capturado necesita perder calor y momento angular antes de poder sumergirse en el agujero negro. La eyección de materia permite que esta pérdida se produzca.

Este trabajo debería repercutir en los esfuerzos realizados con radiotelescopios para observar y comprender la «sombra» que proyecta el horizonte de sucesos de Sgr A* sobre el fondo de materia circundante y brillante.

También será útil para entender el impacto que las estrellas en órbita y las nubes de gas podrían tener con la materia que fluye hacia y desde el agujero negro.

Conclusión

El descubrimiento de un agujero negro supermasivo en el corazón de la Vía Láctea ayudó a los astrónomos a descifrar otro misterio: los cuásares. Se trata de objetos que brillan con la intensidad de millones de estrellas.

Ahora sabemos que los cuásares proceden de la radiación generada por los discos de material que rodean a los agujeros negros supermasivos que se alimentan activamente.

Nuestro propio agujero negro está tranquilo hoy en día, pero podría haber estado activo en el pasado, y podría volver a estarlo en el futuro.

Algunos astrónomos han sugerido otros objetos que podrían tener la misma densidad y gravedad para explicar Sagitario A, pero cualquier cosa colapsaría rápidamente hasta convertirse en un agujero negro supermasivo dentro de la vida de la Vía Láctea.