La primera imagen de un agujero negro

Hasta ahora los habíamos detectado de forma indirecta en varias longitudes de onda del espectro electromagnético. Incluso hemos llegado a detectarlos a través de las ondas gravitacionales que se producen cuando dos de ellos se fusionan. Pero nunca habíamos visto uno directamente. Hasta hoy. El 10 de abril de 2019 pasará a la historia como el día en el que la humanidad contempló un agujero negro por primera vez. El proyecto EHT (Event Horizon Telescope) ha revelado la primera imagen del agujero negro supermasivo del centro de la galaxia M87. Y no es cualquier agujero negro. Es, ni más ni menos, el más masivo que se conoce. Contempla a la bestia en todo su esplendor:

El agujero negro de M87, o M87* (Event Horizon Telescope).

La imagen por sí sola no es especialmente impactante, hasta que uno comprende que estamos contemplando un monstruo de 6500 millones de masas solares (!) situado en el centro de una galaxia elíptica gigante a 55 millones de años luz. Es un agujero negro tan grande que dentro de él cabrían todos los planetas del sistema solar. A-lu-ci-nan-te. Maravilloso, por supuesto, ¿pero qué estamos contemplando exactamente? Sin una escala de referencia es difícil hacerse una idea de las dimensiones del objeto. Tampoco ayuda que en nuestra experiencia cotidiana no nos topemos con agujeros negros ni con los efectos extremos de la distorsión del espacio-tiempo descritos por las ecuaciones de la relatividad general de Einstein. Lo primero que debemos tener en cuenta es que no se trata de una imagen en luz visible. Eso es simplemente imposible porque no disponemos de telescopios ópticos con la resolución suficiente para ver un objeto tan pequeño a tanta distancia.

Red VLBI de radiotelescopios usada en el proyecto (Event Horizon Telescope).

La imagen ha sido obtenida por una red de radiotelescopios repartidos por el mundo usando la técnica de interferometría de muy larga base (VLBI). Esta técnica combina distintos radiotelescopios de tal forma que se consigue crear una antena con un tamaño equivalente al del planeta Tierra capaz de alcanzar la increíble resolución de 20 millonésimas de segundo de arco. En las semanas previas al descubrimiento se ha generado un debate, en mi opinión un tanto absurdo, sobre si se trata de una imagen «real» o no. Si por «real» entendemos «en luz visible», obviamente no lo es. No estamos viendo el agujero negro de M87 como vieron Gargantúa con sus ojos los protagonistas de la película Interstellar, sino en la longitud de onda de 1,3 milímetros (228 GHz), o sea, en longitudes de onda de radio. Pero hoy en día estamos acostumbrados a contemplar imágenes de objetos astronómicos tomadas en otras regiones del espectro de forma rutinaria y nadie piensa que se trata de imágenes «irreales». Sí, para obtener esta imagen de M87 se han tenido que calibrar y procesar cuidadosamente los ingentes datos obtenidos por distintos radiotelescopios, pero no por ello es una imagen «inventada». Cualquier imagen obtenida en rayos X o infrarrojo lejano —o, ya que estamos, incluso en el visible— también requiere de un procesado intenso.

Región del espectro observada por el EHT, en este caso para Sgr A* (Event Horizon Telescope).

Polémicas estériles aparte, la imagen de M87*, como se denomina al agujero negro (se lee «M87 estrella»), se ha obtenido combinando las observaciones realizadas los días 5, 6, 10 y 11 de abril de 2017 por los ocho radiotelescopios de la participación EHT —nacida en 2014, como la película Interstellar (¿casualidad?, no lo creo)—, entre los que se encuentra la antena del treinta metros del IRAM (Institut de RadioAstronomie Millimétrique) situada en el Pico Veleta (España). La época del año para la observación fue elegida de tal forma que hubiese buen tiempo en todos los observatorios. Además de M87* también se observó Sagitario A*, o sea, el agujero negro del centro de nuestra Galaxia, de tan «solo» cuatro millones de masas solares. El procesado de la enorme cantidad de datos (5 petabytes) ha tenido lugar en el Instituto Max Planck Institute de Radioastronomía de Alemania y en el observatorio Haystack del MIT (Massachusetts Institute of Technology) de EEUU.

La imagen obtenida es consistente con lo que predecían los modelos basados en la relatividad general. Por lo tanto, una vez más la teoría de Einstein sale reforzada de la enésima prueba a la que ha sido sometida. Los que esperaban encontrar indicios de nueva física tendrán que esperar a otra oportunidad. No obstante, en base a esta imagen no se pueden descartar otros modelos modificados de la gravedad que permiten objetos muy compactos que no son exactamente agujeros negros. En ese sentido, la detección de ondas gravitacionales es una prueba mucho más contundente de la validez de la relatividad general que esta imagen.

M87* observado en cuatro días diferentes (Event Horizon Telescope).
Predicción de la imagen del agujero negro de M87. Como vemos, es muy parecida a la obtenida finalmente (Event Horizon Telescope).

Pero volvamos a la imagen, ¿qué es exactamente lo que vemos? Está claro que el agujero negro es el círculo negro dentro del anillo de luz (o, mejor, dicho, de emisión sincrotrón en radio). Un agujero negro es, por naturaleza, totalmente oscuro, pero tiene un límite bien definido: el famoso horizonte de sucesos. Este horizonte —que no es una frontera sólida, pero sí es un límite unidireccional (solo se puede entrar, pero no salir)— es proporcional a la masa del agujero negro y su tamaño se conoce como radio de Schwarzschild, ya que es una solución a la métrica del mismo nombre. Esta métrica solo es válida para los agujeros estacionarios y sin carga eléctrica, pero si el agujero negro rota y tiene carga debemos usar la métrica de Kerr-Newman. Puesto que los agujeros negros reales como M87* giran sobre su eje, pero no pueden tener una carga eléctrica muy intensa (la materia que cae en ellos es principalmente neutra), la métrica de Kerr basta para describir un agujero negro. En cualquier caso, el radio de Schwarzschild sigue siendo una aproximación válida para un agujero negro visto a 55 millones de años luz.

Partes de un agujero negro supermasivo (ESO).

Por lo tanto, uno podría pensar que el círculo negro se corresponde con el horizonte de sucesos y el anillo brillante con el disco de acreción de materia alrededor del mismo. Pero, como siempre que hablamos de relatividad general, la realidad es un poco más compleja. Primero, hay que tener en cuenta que el radio del círculo negro es realmente 2,6 veces el del horizonte de sucesos, ya que el agujero negro distorsiona el espacio-tiempo a su alrededor y la luz se curva creando este efecto (tengamos en cuenta que este monstruo de 6500 millones de masas solares tiene un radio de Schwarzschild de cerca de 19000 millones de kilómetros, o sea, unas 130 Unidades Astronómicas). Por eso se puede decir de forma más correcta que lo que vemos es la «sombra del agujero negro», un efecto predicho por James Bardeen en 1973. Además, la sombra está rodeada por un anillo de luz debido al mismo efecto. Por otro lado, el borde interior del disco de acreción no está en contacto con el agujero negro, ya que la relatividad general impide la presencia de órbitas estables a una distancia inferior a tres radios del horizonte de sucesos. Este borde interior se denomina órbita interna estable (ISCO) y a esta distancia es prácticamente indistinguible del límite de la «sombra» del agujero negro predicha por Bardeen. En todo caso, el anillo de luz se supone que es más brillante que el borde del disco de acreción.

La «sombra» de un agujero negro estacionario según la relatividad general (Event Horizon Telescope).
Recreación del camino que sigue la luz (geodésicas) alrededor de un agujero negro, lo que explica el tamaño de su «sombra»  (Nicolle R. Fuller/NSF).

Viendo la imagen da la impresión de que estamos viendo el disco de acreción en dirección perpendicular a la línea de visión, pero no es necesariamente así. La distorsión del espacio-tiempo alrededor del agujero negro es tan intensa que podemos ver toda la superficie del disco, en ambas caras, independientemente de la inclinación del mismo, un efecto que aparece magníficamente representado —aunque de forma simplificada— en Interstellar. Igualmente, la diferencia de brillo en el disco de acreción se explica por la relatividad general, que predice este efecto siempre que la materia esté girando rápidamente alrededor del agujero negro, como parece ser el caso (el brillo aumenta si la materia se mueve hacia el observador). Analizando la imagen los investigadores han concluido además que el agujero negro gira en sentido horario. Pero, por ahora, no se ha podido medir la velocidad de rotación del agujero ni la inclinación del disco de acreción.

Simulación de cómo se vería el disco de acreción de un agujero negro de cerca creada para la película Interstellar (Warner).

La obtención de la primera imagen de un agujero negro es un hecho histórico y de una enorme relevancia científica, aunque no sea un suceso tan importante como el descubrimiento de ondas gravitacionales. Ahora podemos analizar el horizonte de sucesos de un agujero negro directamente en el espectro electromagnético y no solo mediante ondas gravitacionales. Los próximos pasos de la iniciativa EHT son, a corto plazo, estudiar la variabilidad del disco de acreción de M87* y su relación con los potentísimos chorros que salen del mismo. A más largo plazo, el objetivo es producir una imagen semejante del agujero negro de la Vía Láctea, Sagitario A*. Aunque pueda parecer contraintuitivo, obtener una imagen de nuestro agujero negro es más difícil pese a estar mucho más cerca, principalmente debido a que, al ser más pequeño, la materia del disco de acreción se mueve mucho más rápido, complicando sobremanera la reducción de datos porque el brillo varía en cuestión de minutos y no de días. Pero eso es el futuro. Por el momento, disfrutemos de este magnífico logro de nuestra especie.

Referencias:

  • https://iopscience.iop.org/journal/2041-8205
  • https://www.eso.org/public/news/eso1907/


160 Comentarios

  1. Me pregunto si en el futuro sería posible técnicamente preparar y lanzar una red de telescopios espaciales por interferometría, situados en órbitas lejanas y estables dentro del sistema solar, que trabajen al unísono formando un telescopio virtual gigantesto, igual que el EHT, pero que abarque un tamaño infinitamente mayor que el que se ha usado, para aumentar su resolución de forma exponencial y poder llegar a una visualización más detallada de los agujeros negros u otros objetos astronómicos en el futuro…?

    1. De hecho ya se ha hecho, lo que pasa que no en longitudes de onda tan cercanas al milímetro
      Radioastron lo menor era 1.3 cm.
      En el futuro se hará, sin duda, al igual que se unirán más antenas para mejorar la fiabilidad de la imagen.

  2. No es muy distinta la imagen de este agujero negro de las recreaciones que de estos mounstruos llevamos viendo hace años. Más espectacular me parece cómo se deforman estrellas del estilo de nuestro sol antes de ser engullidas.

    Es ésta (bueno, la de ayer ya) una fecha para recordar. Me pregunto si llegaremos a poder estudiar más detenidamente estos objetos cuya existencia sobrerepasa nuestro entendimiento, al menos de momento y mientras no aparece otro Eintein que ponga orden.

  3. Preciossooo…!!! Parece el Anillo Único… que lo reclama el O-jo Rojo de la Torre O-scura en las tierras de Mordor donde se extienden las sombras poblada de O-rcos. Una nada que crece a costa de luminosas estrellas. 😀

  4. Hola Daniel , Creo que es la segunda vez que participo por aquí, permite que plantee mis dudas sobre que es realmente lo que estamos viendo…en tu presentación dices, que como la imagen fue tomada en una banda de longitudes de onda diferentes a las de la luz visible, la imagen obviamente tiene un procesado, y que por ello tanto esta como ninguna otra es la imagen real, sino el mejor modelo basado en datos reales recogidos por un excelente grupo de científicos. Ahora bien te has fijado que lo que han modelado es la frecuencia, y no es la intensidad, fijate que las imágenes de los papers están en Kelvin, y los brillos y oscuros se lo dan al atribuido al efecto Doppler. Es decir para ver ese anillo hicieron brillosas las zonas de mayor frecuencia, y mas oscuras las de menor, pero que pasa con la intensidad, lo que se captura una fotografía es una cantidad de fotones en un breve lapso de tiempo,a trves de una superficie, con la información de la cantidad (intensidad) y frecuencia (color) obtienes una imagen fotográfica…

    Lo que aquí estamos viendo son regiones tienen un determinado color, y que otras regiones lo tienen en frecuencias mas baja(negro), mas brillo (amarillo) mas frecuencia, pero nada que ver con la intensidad, me refiero a que el objeto puede ser perfectamente una esfera de colores en la banda de 1.3 a 3 mm y no podrías notar la diferencia.

    1. Es un modelo, una imagen que figura de modo realista partes de la estructura del lugar, pero no es una fotografía, en todo caso, una radiografía coloreada según la paleta convencional terrestre. Si alguien llegase allí, no vería ni eso ni nada parecido. Probablemente nosotros no veríamos nada, solo lo negro.
      Está es una imagen que recrea la respuesta a una frecuencia de radio, un sonar. Y perdonen mi atrevimiento … Saludos a todos, buen blog!

  5. Me peta la cabeza jaja. Pero me deja la piel de gallina. Me encanta leer estas cosas ya desde el desconocimiento absoluto. No quiero ni imaginar desde vuestro punto de vista.

    Además estoy con fiebre y no podía dormir, mi cerebro trabaja al 50% de lo normal, por lo que se añade un punto de delirio jajaja que lo hace aún más mágico.

    Buen artículo!

  6. Me surgen dos preguntas, impresionado por el tamaño de este agujero negro…¿hay algún limite teórico que pueda tener un agujero negro de tamaño? y si es así ¿hasta que punto este se acerca?

    Y luego, hoy cual es la teoría más aceptada, sobre que pasa con la materia que entra dentro de un agujero negro…¿donde termina?

    1. Te he puesto una respuesta pero no sale. Me imagino que porque puse un par de enlaces y saltaría el control de spam.

      A ver si hay suerte y Daniel lo arregla. Si no, lo puedes buscar en el blog de francis tú mismo.

  7. Excelente y aclaratorio artículo.
    Creo que es muy importante clarificar, como se hace en el artículo, que es una «traducción» de una «imagen» de radio.
    Cuando vi la «foto» por primera vez me sorprendió porque esperaba ver una línea más limpia en el horizonte de sucesos. Pero ahora entiendo que estamos viendo la «sombra del agujero negro», cuestiones de resolución a parte.
    Por eso este blog es tan bueno, porque explica bien cuestiones que en otros sitios se simplifican o se dan por supuestas.
    Gracias Daniel.

  8. Impresionante y al mismo tiempo horroriza pensar lo terribles que son los agujeros negros.
    Por cierto, el articulo esta perfectamente explicado porque ayer en 2 medios hablaron de 500000 años luz y otro hablo de 5 billones de kms.Se hicieron un lío con las distancias increíble.
    Como bien dice son 55 millones de años luz de distancia.Si fuera el primero estaría 4 veces más cerca que andromeda y si fuera el segundo estaría a medio año luz de distancia.xD

  9. He de decir que para mi fue una decepción en el sentido de la propaganda de «la primera imagen en directo» que se ha hecho a lo largo de muchos días. Yo esperaba que no sé, que en una pantalla se fueran integrando los datos de manera que la imagen fuera una sorpresa al mismo tiempo para los científicos que para los que lo seguimos online, y entonces nos explicaran la interpretación que le daban mientras la imagen se formaba.
    En realidad esa imagen se obtuvo hace dos años, luego la han integrado, los científicos ya la habían visto hace semanas o meses, y ayer de histórico no tiene mucho, más que nada que fue la fecha en que lo hicieron público, aunque ellos ya la habían visto, y por lo tanto no era en directo más que la rueda de prensa.
    Quiero pensar que aunque ayer se hizo público hay más científicos que han visto esa imagen antes.
    Dicho esto, si que es histórico -por supuesto- el haber obtenido esa imagen, el enorme esfuerzo que ha supuesto de coordinación, y de procesamiento, y todo lo que supone para el estudio de los agujeros negros.
    Quiero decir que para mi el fallo está en la propaganda, no en la imagen, y la fecha histórica fue cuando los científicos vieron la imagen integrada por primera vez, y para nosotros (él público general) para algunos será genial, para muchos será curioso, y desgraciadamente para la mayoría o no será nada, o hablarán de que si con ese dinero se podría hacer tal o cual cosa.

  10. Buenas a todos.

    Me quedé con los ojos como platos sólo con este dato: 4 millones de masas solares (Sagitario A*) Vs. 6.500 millones de masas solares (M87*) POR LAS BARBAS DE ZEUS !!! y eso que nuestra galaxia es una considerada de tamaño grande. Cómo ha podido llegar a formarse una monstruosidad como esa ??. Por demás, fascinado con el logro obtenido por esta imagen y por el artículo, Gracias Daniel, sigo fielmente tus artículos aunque casi nunca participo de los comentarios.

    Saludos.

    1. Según la Wikipedia, entiendo que en M87 la materia oscura puede ser 200 veces mayor que en la Via Láctea:
      «2,6 ± 0,3 × 1012 masas solares, el doble de masa que nuestra galaxia,[6]​ e incluyendo materia oscura puede ser 200 veces más masiva que esta»
      https://es.m.wikipedia.org/wiki/Galaxia_elíptica_M87

      y la masa de M87* en relación a la del agujero central de la Via láctea, Sgr A*, es 65000/4 = 16250 veces mayor.

      Supongo que habrá una relación de causa-efecto entre los agujeros negros y la materia oscura. ¿Cual de los dos será causa y cual efecto?
      Me parece atractiva la idea de que fuera la actividad de los agujeros negros, expulsando materia/energía por sus chorros relativistas, fuera lo que origina la materia oscura.

  11. «Viendo la imagen da la impresión de que estamos viendo el disco de acreción en dirección perpendicular a la línea de visión, pero no es necesariamente así. La distorsión del espacio-tiempo alrededor del agujero negro es tan intensa que podemos ver toda la superficie del disco, en ambas caras, independientemente de la inclinación del mismo, un efecto que aparece magníficamente representado —aunque de forma simplificada— en Interstellar»

    Este párrafo resulta confuso. De hecho, estamos viendo el disco casi perpendicular desde nuestro punto de vista. La imagen de Interstellar, que se produce cuando se observa con el borde del disco lo suficientemente inclinado hacia nosotros, tendría la forma característica de esa imagen(circulo con barra en medio) que precisamente no vemos porque el disco de M87 es casi perpendicular desde nuestro punto de observación. Esto ya se conocía por la angulación de su jet en imagenes de este anteriores.

    1. Bueno, no sé si es confuso, pero lo que quiero decir es que aunque «parezca» que el disco es perpendicular no es necesariamente el caso porque la distorsión del espacio tiempo produce casi la misma imagen independientemente de la inclinación del disco. Se supone, repito, SE SUPONE, que el disco de M87* debe ser casi perpendicular por la orientación de los jets, pero por ahora no hay nada en la imagen que nos demuestre que esto es así.

      1. Pero es que no producen la misma imagen, tú mismo has mencionado la imagen de Interstellar, que corresponde a una observación «de canto», en la que la parte del borde que queda detrás se observa como dos arcos encima y debajo del borde mas cercano al observador, de acuerdo a la predicción de la teoria de la relatividad general. Es algo muy básico.

  12. Daniel muchas gracias otra vez por explicar de forma tan amena e intuitiva una noticia que la mayoría de mortales no pararía de la introducción del artículo original.

    Igual se me ha escapado algún comentario pero la materia y fotones que caen al agujero negro, por la fuerza de la gravedad seguirán siendo lo mismo o se convertirían en otra cosa?

    Un fotón seguirá siendo un fotón dentro de agujero negro?

    Esta pregunta puede valer para la sección de retroalimentacion de radio skylab, es que no tengo cuentas en redes sociales.

    David Boyero, Salamanca.

    Un saludo.

    1. Eso me lo he preguntado yo muchas veces, me sumo a la petición, como hay estrellas de neutrones y estrellas de Quarks, un cuerpo tan masivo podría estar formado por fotones o con una especie de corteza de fotones ¿o las condiciones del agujero negro hacen de los fotones otra cosa?

    1. Una pasada, la cantidad de usos para el sistema parece no tener fin, y no solo telescopios lanzados de una pieza como ese, imaginad el tremendo telescopio que podría montarse en órbita lanzando espejos segmentados en una Starship para montarlo en el espacio…

      Me ha encantado. Por cierto, en las respuestas del tuit se ve como siempre en primera línea a Evelyn Janeidy Arévalo, eso es ser espacio trastornada como mandan los cánones, estar al pie del cañón siempre, no falla, este mundo necesita más Janeidy’s XD

  13. Estaba esperando tu artículo Daniel, tu forma de explicar las cosas es como un haz de luz en la oscuridad. ¿Tan difícil es exponer los hechos de forma clara y sencilla?
    Me queda una duda: Si el radio del horizonte de sucesos es de 19000 millones de kilómetros… una vez que la materia desaparece tarda varias horas para llegar a la singularidad viajando a la velocidad de la luz? o dentro del horizonte las leyes de la física se ponen un poco «impredecibles»?

  14. El agujero negro se supone atrapa toda la luz y el polvo por un lado verdad? que se supone que hay detrás del mismo? o atrapa de los dos lados?

    1. Si un agujero superficial (dos dimensiones) es un círculo… un «agujero» espacial (tres dimensiones) es una esfera. La influencia gravitacional de la esfera se extiende en todas direcciones, la esfera atrae por todos lados.

      Dado que nada en el universo está inmóvil, seguramente todos los agujeros negros rotan, lo cual achata la esfera en un elipsoide y arremolina el espacio-tiempo en el sentido de la rotación.

      Ese agujero elipsoidal también atrae por todos lados. PERO… aunque el agujero esté inmerso en un medio isótropo, por ejemplo una nebulosa perfectamente homogénea, compuesta de partículas uniformemente distribuidas… estas partículas, que empiezan a caer en espiral hacia el agujero por todos lados, son arrastradas por el remolino de espacio-tiempo y así se forma un disco de acreción sí o sí, con lo cual el agujero «se alimenta» preferentemente por su «ecuador».

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Por Daniel Marín
Publicado el ⌚ 10 abril, 2019
Categoría(s): ✓ Astronomía • Cosmología • Física