SIN ESCAPATORIA: LA SOMBRA DE LOS AGUJEROS NEGROS

Gisela Ortíz INSTITUTO NACIONAL DE ASTROFÍSICA, ÓPTICA Y ELECTRÓNICA

El 10 de abril de 2019 apareció en las primeras planas de los diarios de todo el mundo la imagen de un agujero negro. La espectacular noticia causó revuelo y también confusión porque, por definición, un agujero negro es un cuerpo de donde la luz no puede escapar. Esto lo hace, esencialmente, invisible. Entonces, ¿cómo se pudo obtener esa imagen?

Lo que sabemos sobre los agujeros negros

La descripción de los agujeros negros va de la mano de nuestro entendimiento sobre la gravitación. La primera teoría que describió exitosamente la gravedad fue la de Isaac Newton, quien la planteó como una fuerza de atracción entre dos cuerpos que poseen masa: a mayor masa, mayor es su intensidad, y al acortar las distancias crece todavía más. Con esta teoría, conocida como la teoría clásica de la gravitación, se describen de forma exitosa los movimientos de los cuerpos en el Universo, desde la caída de objetos sobre la Tierra hasta los ciclos de los planetas del sistema solar.

Pero estudios detallados de las órbitas planetarias mostraron diferencias entre las predicciones Newtonianas y las mediciones. La órbita de Mercurio, el planeta más cercano al Sol, era en particular problemática pues en presencia de un cuerpo muy masivo como el Sol, la gravitación clásica ya no funciona, el modelo se rompe. Esto motivó la búsqueda de una mejor explicación para las órbitas cercanas a un campo gravitacional intenso.

En su teoría de la relatividad general de 1915, Albert Einstein planteó una nueva descripción de la gravedad, proponiendo que la geometría del espacio y el tiempo está dictada por la masa. Visualizó al espaciotiempo como un tejido cósmico donde los cuerpos masivos deforman ese tejido espaciotemporal, de manera que las trayectorias de los objetos, incluso de la luz, simplemente siguen la curvatura natural del espacio-tiempo. Mientras mayor sea la masa, mayor será esta curvatura. Cabe recordar que, en la teoría de la relatividad, la masa y la energía son equivalentes.

Karl Schwartzchild encontró en 1916 que las ecuaciones relativistas predicen la existencia de una distancia singular ubicada alrededor de una masa puntual. Ésta, conocida como el horizonte de eventos, es la distancia a partir de la cual la velocidad de escape de una partícula es la velocidad de la luz.

La curvatura del espacio-tiempo en este punto se cierra, así que cualquier objeto que esté dentro de esa distancia sentirá una gravedad tan intensa que no podrá escapar, incluso la luz quedará atrapada. De esta forma, se predice la existencia de objetos donde ni la luz puede escapar de ellos. John Archibald Wheeler los nombró agujeros negros en 1968.

El Telescopio del Horizonte de Eventos

En las últimas décadas se encontró que en los centros de muchas galaxias podrían existir agujeros negros supermasivos, con masas de millones de veces la de nuestro Sol. El gas y las estrellas que los rodean giran a su alrededor formando un disco, pero son atrapados cuando llegan al horizonte de eventos, quedando encerrados para siempre. En esta “danza” alrededor del agujero negro se forman chorros angostos, jets, que salen expulsados a muy altas velocidades y en direcciones perpendiculares al disco.

La luz emitida por este material es desviada por el intenso campo gravitacional y sus trayectorias envuelven al agujero negro. De manera que una imagen de la región central revelaría esa envolvente luminosa del agujero negro, pero su centro sería oscuro, como una sombra que delimita el horizonte de eventos.

Con esta idea, se consideró obtener la imagen del agujero negro del centro de nuestra galaxia, denominado Sagitario A*. Sus dimensiones son pequeñas y varios grupos en el mundo dirigieron sus esfuerzos para usar interferometría con radiotelescopios, que permite obtener muy alta resolución angular.

Esta es una técnica exitosa que ha logrado combinar observaciones de muchas antenas, que pueden estar separadas por miles de kilómetros, produciendo un telescopio sintético cuyo tamaño equivale a la máxima separación entre las antenas. Esto es, si las antenas están separadas por mil kilómetros, tendremos un telescopio sintético de mil kilómetros de diámetro. Un instrumento de tal tamaño permitiría distinguir detalles de objetos muy distantes, por ejemplo, podríamos distinguir desde la Tierra una pelota de tenis en la Luna.

Y así se hizo, con antenas repartidas por todo el mundo se creó el Telescopio del Horizonte de Eventos, el único instrumento capaz de obtener imágenes de la “sombra” de un agujero negro supermasivo.

Messier 87* y Sagitario A*

Después de años de preparación y pruebas, la colaboración del Telescopio del Horizonte de Eventos logró esta gran hazaña, generando las primeras imágenes de los agujeros negros de la galaxia Messier 87 (M87*) y de Sagitario

A*.

A pesar de que sus masas son muy distintas, las imágenes de M87* (publicadas el 10 de abril de 2019) y Sagitario A* (publicadas el 12 de mayo de 2022) tienen una gran similitud. En ambas distinguimos la sombra oscura en el centro, rodeada de un anillo brillante, tal como resulta al aplicar las ideas de Einstein. Además, la similitud en el tamaño de las imágenes se debe a que M87* está 2,000 veces más distante que Sagitario A*; sin embargo, M87* es 1,600 veces más masivo que Sagitario A*, esto hace que los diámetros aparentes sean casi iguales.

La luz envolvente del anillo viene incluso de la parte posterior del agujero negro, porque su gravedad flexiona la luz como si fuera una lente gravitacional, y la obliga a rodearlo. Algunos rayos de luz giran incluso varias veces, amplificando el brillo del anillo.

La colaboración internacional que conforma el Telescopio del Horizonte de Eventos ahora ha dirigido su trabajo en la obtención de “películas” que revelen la evolución temporal de ambos anillos, para observar cambios en sus estructuras, investigar la dinámica del gas en la vecindad del horizonte de eventos, hacer comparaciones con modelos teóricos y mejorar nuestro entendimiento de los procesos que alimentan a los agujeros negros.

Finalmente, debemos destacar que los astrónomos mexicanos participan en la colaboración y que el Gran Telescopio Milimétrico Alfonso Serrano situado en Sierra Negra, Puebla, es uno de los telescopios del arreglo. Puedo decir con orgullo que formo parte de ese grupo de astrónomos mexicanos.