Primera imagen en luz polarizada del agujero negro de nuestra galaxia

En 2022, la colaboración científica del Telescopio del Horizonte de Sucesos o Event Horizon Telescope (EHT) dio a conocer la primera imagen de Sagitario A* (Sgr A*), el agujero negro supermasivo del centro de la Vía Láctea. Está a unos 27.000 años luz de distancia de la Tierra y es más de mil veces más pequeño y menos masivo que el de la galaxia M87, el primer agujero negro fotografiado.

Sin embargo, las observaciones revelaron que ambos son bastante similares, lo que hizo preguntarse a los investigadores si, al margen de su apariencia, ambos compartían rasgos comunes. Para averiguarlo, el equipo del EHT decidió estudiar Sgr A* en luz polarizada, una forma de analizar la ‘firma’ de los campos magnéticos.

Hay campos magnéticos fuertes, retorcidos en forma de espiral y organizados cerca del agujero negro del centro de la Vía Láctea

Estudios previos en luz polarizada del agujero negro de la galaxia M87 (M87*) ya revelaron que estos fuertes campos de su entorno permitieron que el agujero lanzara poderosos chorros de material que volvían al medio circundante. Sobre la base de aquel trabajo, se obtuvieron nuevas imágenes que revelan que lo mismo puede estar ocurriendo en Sgr A*. Los resultados se publican en dos artículos en The Astrophysical Journal Letters.

“Lo que estamos viendo ahora es que hay campos magnéticos fuertes, retorcidos en forma de espiral y organizados cerca del agujero negro del centro de la galaxia Vía Láctea”, afirma la colíder del proyecto, beneficiaria de una beca Einstein postdoctoral del Programa de Becas Hubble de la NASA en el Centro de Astrofísica Harvard & Smithsonian (EE UU).

“Junto con el hecho de que Sgr A* tiene una estructura de polarización sorprendentemente similar a la observada en el agujero negro M87* (mucho más grande y potente) –añade–, hemos aprendido que los campos magnéticos fuertes y ordenados son fundamentales para la forma en que los agujeros negros interactúan con el gas y la materia que los rodea”.

El agujero negro Sgr A* tiene una estructura de polarización sorprendentemente similar a la observada en M87*, mucho más grande y potente

Sara Issaoun (CFA-Harvard & Smithsonian)

Imágenes obtenidas en luz polarizada de los agujeros negros supermasivos M87* y Sagitario A*, con estructuras de campo magnético similares. / EHT Collaboration

La luz es una onda electromagnética oscilante o en movimiento que nos permite ver objetos. A veces, la luz oscila en una orientación preferida, denominada “polarizada”. Aunque la luz polarizada nos rodea, para los ojos humanos es indistinguible de la luz “normal”.

En el plasma que rodea estos agujeros negros, las partículas que giran alrededor de las líneas del campo magnético confieren un patrón de polarización perpendicular al campo. Esto permite a la comunidad astronómica ver, con detalles cada vez más vívidos, lo que sucede en las regiones de los agujeros negros y mapear sus líneas de campo magnético.

“Al obtener imágenes de la luz polarizada procedente del gas caliente y brillante que hay cerca de los agujeros negros, estamos deduciendo directamente la estructura y la fuerza de los campos magnéticos que enhebran el flujo de gas y materia del que se alimentan y, a su vez, expulsan”, apunta el otro colíder, Angelo Ricarte, beneficiario de una beca postdoctoral de la Iniciativa de Agujeros Negros de Harvard (EE UU), quien destaca:  “La luz polarizada nos enseña mucho más sobre la astrofísica, las propiedades del gas y los mecanismos que tienen lugar cuando un agujero negro se alimenta”.

La luz polarizada nos enseña mucho más sobre la astrofísica, las propiedades del gas y los mecanismos que tienen lugar cuando un agujero negro se alimenta

Angelo Ricarte (Harvard/Colaboración EHT)

Pero conseguir imágenes de agujeros negros con luz polarizada no es tan fácil como ponerse un par de gafas de sol polarizadas, y esto es particularmente cierto en el caso de Sgr A*, que cambia tan rápido que no se queda quieto para las fotos. La obtención de vistas del agujero negro supermasivo requiere herramientas sofisticadas que van más allá de las que se utilizaban anteriormente para captar a M87*, un objetivo mucho más estable.

El científico del proyecto EHT, Geoffrey Bower, del Instituto de Astronomía y Astrofísica de la Academia Sinica  en Taipéi (Taiwán), afirma: “Debido a que Sgr A* se mueve mientras intentamos obtener imágenes, ha sido difícil construir incluso la imagen no polarizada”, y agrega que la primera fue un promedio de múltiples debido al movimiento de Sgr A*.

“Es un alivio haber podido obtener imágenes polarizadas –continúa–. Algunos modelos estaban demasiado revueltos como para construir una imagen polarizada, pero la naturaleza no ha sido tan cruel”.

Por su parte, Mariafelicia De Laurentis, responsable adjunta del Departamento Científico del proyecto EHT y profesora de la Universidad de Nápoles Federico II (Italia), señala: “Con una muestra de dos agujeros negros, con masas muy diferentes y galaxias anfitrionas muy diferentes, es importante determinar en qué se parecen y en qué se diferencian”.

“En ambos casos los datos indican que cuentan con campos magnéticos fuertes, lo cual sugiere que esta puede ser una característica universal y quizás fundamental de este tipo de sistemas”, añade, “y una de las similitudes entre estos dos agujeros negros podría ser un chorro, pero aunque hemos fotografiado uno muy obvio en M87*, aún no lo hemos encontrado en Sgr A*”, pero podría estar oculto.

Red global de radiotelescopios EHT

Para observar Sgr A*, la colaboración unió ocho telescopios de todo el mundo con el fin de crear un telescopio virtual del tamaño de la Tierra, el EHT, del que forma parte un radiotelescopio de 30 metros del observatorio IRAM en España.

El Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), del que el Observatorio Europeo Austral (ESO) es socio, y el Atacama Pathfinder Experiment (APEX), ambos en el norte de Chile, también pertenecen a esta red.

Mapa de la red global de radiotelescopios EHT (Event Horizon Telescope). En azul, los tres incorporados después de 2018. / ESO/M. Kornmesser

“Ahora ALMA está planificando un ‘cambio de imagen extremo’, la Actualización de la Sensibilidad de Banda Ancha, que hará que sea aún más sensible y siga siendo un telescopio fundamental en las futuras observaciones de Sgr A* y de otros agujeros negros que lleve a cabo la colaboración EHT”, comenta María Díaz Trigo, científica del Programa Europeo ALMA de ESO.

La colaboración EHT ha realizado varias observaciones desde 2017 y está previsto que vuelva a observar Sgr A* en abril de 2024. Cada año, las imágenes mejoran a medida que el EHT incorpora nuevos telescopios, mayor ancho de banda y nuevas frecuencias de observación.

Las mejoras en la red EHT para la próxima década permitirán filmar películas de alta fidelidad de Sgr A* que podrían revelar un chorro oculto

Las ampliaciones y mejoras planificadas para la próxima década permitirán filmar películas de alta fidelidad de Sgr A* que podrían revelar un chorro oculto y permitir a la comunidad astronómica observar características de polarización similares en otros agujeros negros.

“Hace mucho tiempo que estamos buscando el posible chorro de materia emanando de nuestro centro galáctico. Esta nueva imagen polarizada nos dice que el chorro debería estar ahí, pero aún no lo vemos. Es una cuestión intrigante que aún nos queda por esclarecer”, declara Alejandro Mus, doctor en Física por la Universidad de Valencia y miembro del EHT.

Por otro lado, extender esta red global al espacio proporcionaría las imágenes más nítidas de los agujeros negros jamás obtenidas.

Nueva antena en Canarias

Uno de los avances para el EHT es la incorporación de una nueva antena en el Observatorio del Teide en las Islas Canarias, un proyecto liderado por el Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC), que también ha participado en los resultados publicados esta semana.

Esta nueva antena ayudará mejorar la sensibilidad del telescopio virtual global, lo que es crucial para producir las primeras películas de agujeros negros, según el IAA, que además desarrolla algoritmos para producirlas.

Comparación de los tamaños de dos agujeros negros: M87* y Sagitario A*. / EHT collaboration (agradecimiento a Lia Medeiros, xkcd)

Referencias:

EHT Collaboration. “First Sagittarius A* Event Horizon Telescope Results. VII. Polarization of the Ring” y “First Sagittarius A* Event Horizon Telescope Results. VIII.: Physical interpretation of the polarized ring”. The Astrophysical Journal Letters