Revelan los fuertes campos magnéticos del agujero negro supermasivo en M87

La colaboración del Event Horizon Telescope, (EHT, Telescopio del Horizonte de Eventos) publicó nuevos resultados que describen por primera vez cómo la luz procedente de la vecindad del agujero negro supermasivo M87*, en la galaxia M87, gira en espiral al escapar de la intensa gravedad del agujero negro. Este fenómeno se conoce como polarización circular de la luz. La dirección en la que el campo eléctrico de la luz prefiere girar nos proporciona información valiosa sobre el campo magnético y los tipos de partículas que rodean el agujero negro. El nuevo artículo, publicado hoy en la revista Astrophysical Journal Letters, respalda los hallazgos previos del EHT que indican que el campo magnético cercano al agujero negro M87* es lo suficientemente intenso como para frenar la caída de materia hacia él.

“La polarización circular era el último capítulo que nos faltaba para concluir el análisis de la luz en las primeras observaciones del agujero negro en M87 llevadas a cabo por el EHT, y por mucho, resultó ser la tarea más desafiante de todas”, afirma Andrew Chael, investigador del programa Gravity Initiative de la Universidad de Princeton, Estados Unidos, quien coordinó el proyecto. “Estos nuevos resultados nos proporcionan la certeza de que el campo magnético astraviesa el gas caliente que cae en el agujero negro. Las observaciones sin precedentes del EHT nos permiten responder interrogantes sobre cómo los agujeros negros consumen materia y la expulsan en chorros más allá de sus galaxias anfitrionas.”

“Analizar la estructura los campos magnéticos en las cercanías del agujero negro supermasivo M87* usando luz polarizada es crucial para entender la naturaleza del agujero negro y del gas caliente a su alrededor,””, dice Alejandro Cruz Osorio, del Instituto de Astronomía de la UNAM, en Ciudad Universitaria. “La estructura espiral inferida en estos campos magnéticos es consistente con las predicciones teóricas y apunta a que el gas debe estar altamente magnetizado, lo que ayuda a acelerar el material del característico chorro de M87.”

“El EHT es una de las colaboraciones científicas más importantes a nivel mundial actualmente. La participación de México en este proyecto le da visibilidad a nivel mundial”, comenta Laurent Loinard, del Instituto de Radioastronomía y Astrofísica (IRyA) de la UNAM, Campus Morelia. “También permite que estudiantes y personas jóvenes en etapas tempranas de su carrera de investigación estén inmersas en esta emocionante y vibrante colaboración, en la que participan algunas de las y los mejores científicos del mundo. Es una colaboración realmente global que permite interactuar con personas de muchos horizontes. Es una experiencia muy enriquecedora participar en ella.”

Una historia contada con luz débil y enredada

En 2019, el EHT publicó la primera imagen de un anillo de plasma, gas muy caliente, cerca del horizonte de sucesos de M87*. Luego, en 2021, la comunidad del EHT difundió una imagen que mostraba las direcciones de oscilación de los campos eléctricos a lo largo de la imagen, un fenómeno conocido como polarización lineal. Este hallazgo marcó la primera indicación de que los campos magnéticos en las cercanías del agujero negro estaban altamente organizados y poseían una intensidad significativa. Las nuevas mediciones de la polarización circular, que describen cómo los campos eléctricos de la luz giran en espiral, aportan evidencias aún más sólidas acerca de la presencia de estos campos magnéticos intensos y ordenados en las proximidades del agujero negro.

“La señal en polarización circular es cien veces más débil que los datos no polarizados que utilizamos para obtener la primera imagen de un agujero negro”, explica Ioannis Myserlis, astrónomo del Instituto de Radioastronomía Milimétrica (IRAM), en Europa. “Detectar esta señal tan débil en los datos fue comparable a intentar escuchar una conversación en medio del ruido ensordecedor de un martillo de construcción. Tuvimos que probar cuidadosamente nuestros métodos para determinar en qué podíamos confiar realmente”.

Esta simulación por computadora representa un disco de plasma (gas caliente) que rodea al agujero negro supermasivo ubicado en el núcleo de la galaxia M87. Un reciente análisis de la luz polarizada circular, o en espiral, en las observaciones del Event Horizon Telescope, revela que los campos magnéticos en las proximidades del agujero negro son muy intensos y desempeñan un papel crucial al frenar el flujo de materia hacia el agujero negro y promover la formación de chorros de materia que se desplazan a velocidades cercanas a la de la luz.

Para llevar a cabo este minucioso análisis, el equipo de investigación desarrolló nuevos métodos con el propósito de reconstruir una imagen polarizada a partir de las mediciones limitadas y ruidosas proporcionadas por el EHT. Estos métodos fueron sometidos a exhaustivas pruebas. “Fue fundamental contrastar nuestros distintos métodos de análisis con datos simulados y entre sí”, explica Freek Roelofs, investigador postdoctoral del Centro de Astrofísica de Harvard y el Smithsonian, Estados Unidos. En un artículo complementario, que también se publica hoy, Roelofs descubrió que cuando imponía hipótesis muy estrictas a su análisis, los datos revelaban una sorprendente diferencia en la luz girando en el sentido del reloj y en el sentido contrario en el anillo observado. Sin embargo, otros métodos que planteaban hipótesis menos restrictivas no apreciaban esa diferencia. “Trabajar en conjunto para ver qué podemos y qué no podemos extraer de nuestros datos ha hecho que este proyecto sea increíblemente emocionante y gratificante”, afirma Roelofs.

El equipo llevó a cabo diversas pruebas con los datos, y en todas ellas se encontraron evidencias concluyentes de la existencia de luz polarizada circularmente en las proximidades del horizonte de eventos. Al final, como las medidas de polarización circular del EHT eran mucho más débiles que las de los conjuntos de datos anteriores, el equipo no pudo obtener una imagen inequívoca de la “orientación” de la luz en espiral. No obstante, lograron determinar que la parte de la luz con polarización circular o en espiral representaba únicamente una pequeña fracción de la luz total que componía la imagen del agujero negro.

El equipo aplicó estas mediciones para probar distintas hipótesis sobre la forma y el movimiento del plasma y el campo magnético alrededor del agujero negro, incluyendo un conjunto de simulaciones en supercomputadoras de última generación. “Las observaciones de la polarización circular refuerzan nuestros resultados anteriores, que indicaban que los campos magnéticos son lo bastante intensos como para frenar la caída de materia y así lanzar los fuertes chorros de plasma que vemos extenderse por toda la galaxia M87”, afirma Angelo Ricarte, investigador postdoctoral del centro Black Hole Initiative de la Universidad de Harvard, Estados Unidos. Abhishek Joshi, estudiante de posgrado de la Universidad de Illinois, añade: “Es maravilloso comparar directamente nuestras simulaciones con estas observaciones punteras. Juntas, dibujan un entorno caótico y violento justo fuera del horizonte de sucesos, donde los campos magnéticos, la gravedad y el plasma caliente se enredan entre sí.”

Aunque los datos en los que se basa este estudio no son lo bastante sensibles para determinar la estructura de la polarización circular del agujero negro, el equipo alberga esperanzas en un futuro cercano, pues el análisis en curso de los nuevos datos recopilados después de 2017 promete una mejora en la detección de esta señal. Esto podría responder nuevas preguntas, por ejemplo si los pares de partículas de materia-antimateria forman parte del plasma fuera del horizonte de sucesos y cómo se aceleran a velocidades cercanas a la de la luz.

“Trabajar con estas observaciones pioneras fue todo un reto, pero nos preparó para el futuro”, afirma Svetlana Jorstad, investigadora de la Universidad de Boston, Estados Unidos. “El EHT está creciendo rápidamente, con nuevos telescopios y mejor tecnología en toda nuestra red, lo que nos proporciona un conjunto de datos más sensibles y detallados con los que trabajar. Es emocionante contemplar lo mucho que van a mejorar nuestros resultados en poco tiempo.”

Más información sobre el Event Horizon Telescope

Más de 300 personas de África, Asia, Europa y América participan en el equipo de investigación de la colaboración del Event Horizon Telescope, EHT. Esta colaboración internacional trabaja para captar las imágenes más detalladas jamás obtenidas de agujeros negros mediante la creación de un telescopio virtual del tamaño de la Tierra.

Con el apoyo de una considerable inversión internacional, el EHT combina telescopios existentes que observan ondas de radio utilizando nuevas técnicas, creando un instrumento fundamentalmente nuevo con el mayor poder de resolución angular que se ha logrado hasta ahora, es decir, con la mayor capacidad con que se cuenta actualmente para distinguir detalles finos en las imágenes astronómicas.

Los telescopios individuales que participan en el EHT son: ALMA, APEX, el Telescopio IRAM de 30 metros, el Observatorio IRAM NOEMA, el Telescopio James Clerk Maxwell (JCMT), el Gran Telescopio Milimétrico (GTM), el Arreglo Submilimétrico (SMA), el Telescopio Submilimétrico (SMT), el Telescopio del Polo Sur (SPT), el Telescopio de Kitt Peak y el Telescopio de Groenlandia (GLT).

El consorcio EHT está formado por 13 instituciones participantes: el Instituto de Astronomía y Astrofísica de la Academia Sinica, la Universidad de Arizona, la Universidad de Chicago, el Observatorio de Asia Oriental, la Universidad Goethe de Frankfurt, el Instituto de Radioastronomía Milimétrica, el Gran Telescopio Milimétrico Alfonso Serrano, el Instituto Max Planck de Radioastronomía, el Observatorio de Haystack del MIT, el Observatorio Astronómico Nacional de Japón, el Instituto Perimeter de Física Teórica, la Universidad de Radboud en Nimega y el Observatorio Astrofísico Smithsonian.

México en el Event Horizon Telescope

El Gran Telescopio Milimétrico Alfonso Serrano, ubicado en el volcán Sierra Negra en Puebla, es uno de los observatorios en ondas de radio que participa del Event Horizon Telescope. Es mantenido por el Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE) y la Universidad de Massachusetts, Estados Unidos. La comunidad mexicana que participa de la colaboración del EHT incluye al menos a 10 personas en instituciones extranjeras o nacionales, como el IRyA y IA, de la UNAM, y el INAOE.