El eslabรณn perdido de los agujeros negros

ยกLo hemos hecho! Hemos encontrado ยซel eslabรณn perdidoยป de la Astrofรญsica Observacional de agujeros negros: el nexo que une el corazรณn de un agujero negro (su ยซsombraยป) con el chorro relativista que, de una forma fascinante, escapa de allรญ casi a la velocidad de la luz. ยกVamos a ver de quรฉ va esto!

Este fantรกstico resultado, que se publica hoy en la revista Nature, es la cumbre de aรฑos de trabajo de un fabuloso equipo de VLBI, liderado por RuSen Lu (Univ. de Shanghai), en el que tengo la fortuna de encontrarme. Esta nueva imagen es un complemento ideal de la que se publicรณ, en 2019, por parte del Telescopio de Horizonte de Sucesos (el ยซEHTยป, por sus siglas en inglรฉs). ยกLas dos imรกgenes, juntas, nos aportan mucha informaciรณn sobre lo que estรก ocurriendo cerca del horizonte de sucesos!

M87* a diferentes escalas: desde millones de aรฑos-luz (Cรบmulo de Virgo) hasta pocos dรญas-luz (la sombra del agujero negro central)

ยฟPor quรฉ este resultado es tan importante? Durante dรฉcadas, el modelo mรกs aceptado de Nรบcleo Activo de Galaxia (AGN) es el de un agujero negro supermasivo, que traga material a travรฉs de un ยซdisco de acreciรณnยป, expulsando parte de dicho material a travรฉs de un ยซchorro relativistaยป. Hasta ahora, no tenรญamos una imagen directa del nexo de uniรณn entre el disco y el chorro, habiendo varias cuestiones abiertas: ยฟEse chorro nace cerca del horizonte de sucesos o mรกs lejos, en el disco? ยฟDe dรณnde sale la energรญa para expulsar ese material a tan altas velocidades?

Y ahora, por fin, tenemos una imagen donde se ve, de forma directa, el maravilloso nexo entre la sombra de un agujero negro supermasivo y su chorro relativista asociado. ยกEstamos viendo la luz que nos llega del potente motor que hay en el mismรญsimo ยซcorazรณn de la bestiaยป!

La imagen de M87* del EHT nos muestra un anillo de luz, originado (en buena parte) por rayos que estuvieron orbitando al agujero negro. Esa imagen estรก un poco ยซcontaminadaยป por el disco de acreciรณn. Pero, ยฟpor quรฉ no vemos tambiรฉn el chorro relativista en la imagen del EHT?

ยฟDรณnde estรก el chorro en la imagen del EHT? ยฟPor quรฉ no se ve?

La respuesta es complicada. Por una parte, el EHT tiene ยซdemasiada resoluciรณnยป para ver el chorro, que es muy extenso. Por otra, ese chorro brilla muy poco a la frecuencia a la que observa el EHT; brilla mucho mรกs a frecuencias mรกs bajas, al igual que el propio disco de acreciรณn.

Cada parte de M87* domina a diferentes frecuencias. Para ver mejor disco y chorro, debemos ir a frecuencias bajas, y si queremos ver mejor el anillo, ir a frecuencias altas. De hecho, este aรฑo el EHT ha observado a una frecuencia un 50% mayor que la del 2019. ยกSaldrรก un anillo precioso!

El anillo del EHT, hecho de la luz que orbita al agujero negro, nos habla de la curvatura espacio-temporal cerca del horizonte (o sea, nos permite poner a prueba la Relatividad General). No obstante, el disco y el chorro nos hablan de cรณmo se comporta el plasma en esa regiรณn (o sea, la ยซMagnetohidrodinรกmica Relativistaยป).

Las distintas componentes que forman M87*

Asรญ pues, si observamos M87* a frecuencias mรกs bajas que las del EHT, pero manteniendo una resoluciรณn casi tan alta como la suya, podremos cazar varios pรกjaros de un tiro: veremos sombra, disco y chorro, todo en una misma imagen. Pero ยฟhay algรบn instrumento capaz de hacer esto?

ยกLa respuesta es sรญ! Se trata de la Red Global de VLBI milimรฉtrico (GMVA), que en estas observaciones contรณ con dos aliados fundamentales: el telescopio ALMA y el Gran Telescopio de Groenlandia (GLT). En ambos casos, mis algoritmos de calibraciรณn ayudaron a su inclusiรณn en la Red.

La Red Global de VLBI Milimรฉtrico (GMVA). Crรฉdito: Kazunori Akiyama

Imaginad nuestras caras de alegrรญa cuando vimos que, con la sensibilidad y la resoluciรณn extra que nos dan ALMA y el GLT, estas observaciones nos permitieron verโ€ฆ ยกuna sombra central en M87*, al igual que con el EHT!โ€ฆ ยกPero con el fantรกstico aรฑadido extra del chorro relativista!

El anillo que vemos con el EHT, rodeando la sombra, nos habla mayormente del anillo de fotones (ยกRelatividad General!), mientras que la imagen de la GMVA (mostrada en verde en esta animaciรณn) tambiรฉn nos da mucha emisiรณn del disco y el nacimiento del chorro (ยกMagnetohidrodinรกmica Relativista!).

M87 vista por el EHT (naranja) y por la GMVA (verde).

Un resultado curioso es que la imagen central que vemos con la GMVA es mรกs grande que la del EHT. Esto se debe a un fenรณmeno llamado ยซautoabsorciรณnยป, que hace que la parte interna del disco sea como una ยซparedยป, que no deja escapar a su propia radiaciรณn, a la frecuencia de la GMVA.

Asรญ pues, la parte central, donde se encuentra el anillo fotonesfรฉrico, se ve mejor a frecuencias altas, como la del EHT. La imagen de la GMVA casi no contiene brillo de la fotonesfera, sino que estรก dominada por la emisiรณn de la parte del disco que no estรก ยซautoabsorbidaยป.

Otro resultado curioso es que el chorro no es uniforme en toda su extensiรณn, sino que parece estar formado por tres componentes estrechas: una central (que llamamos ยซespinaยป) y dos a los estremos (el ยซbordeยป). Esto nos da mucha informaciรณn sobre el mecanismo de producciรณn del chorro.

Esta estructura ยซtripleยป nos indica, por ejemplo, que el agujero negro tiene una rotaciรณn nada despreciable (puede que mรกs de la mitad de su mรกximo permitido) y que el chorro estรก producido, seguramente, por el llamado ยซmecanismo de Blandford-Znajekยป (BZ). Ahora os cuento:

Segรบn el mecanismo BZ (el que creemos que estรก teniendo lugar en M87*), cuando un campo magnรฉtico permea la ยซergosferaยป de un agujero negro (la regiรณn donde el espacio es ยซarrastradoยป por la rotaciรณn del agujero, a velocidades superlumรญnicas para observadores distantes) puede succionar energรญa del agujero negro (es como si el espacio, al ser ยซarrastradoยป por el agujero negro, fuese un conductor que transfiere energรญa desde el agujero hasta el campo magnรฉtico) e inyectarla en la materia que estรก cayendo por allรก, permitiendo que รฉsta escape formando el famoso chorro.

El mecanismo BZ predice una forma para la base del chorro, pero รฉsta difiere un poco de la de la imagen de la GMVA. ยกParece que la realidad no encaja del todo con el mecanismo BZ! Una posible explicaciรณn serรญan ยซvientosยป, debidos al disco o a la corona, que podrรญan deformar el chorro.

Estos vientos tambiรฉn pueden jugar un papel en la colimaciรณn del chorro en esta regiรณn crรญtica, tan cercana al agujero negro. En cualquier caso, esta interpretaciรณn deberรก corroborarse con observaciones futuras. ยฟQuรฉ? ยฟCรณmo os habรฉis quedado? ยฟA que la Radioastronomรญa mola?

ยกHasta luego!

Una mirada a los confines del espacio y el tiempo

ยกEl tiempo vuela! Han pasado 4 aรฑos desde que la Colaboraciรณn Event Horizon Telescope (EHT, el Telescopio de Horizonte de Sucesos) mostrรณ al mundo la primera imagen de un agujero negro. Una publicaciรณn histรณrica, de la que tengo la enorme fortuna de ser coautor ยกEs todo un orgullo formar parte de este fabuloso equipo!

Estas efemรฉrides se merecen una entrada en el blog. ยฟQuรฉ nos muestra realmente esta imagen? ยฟQuรฉ hemos aprendido de ella? En estas lรญneas que siguen, tratarรฉ de ahondar un poquito en estas preguntas.

Esta es la primera imagen de las inmediaciones de un horizonte de sucesos. Es una confirmaciรณn directa de que en el Universo existen objetos de gravedad tan extrema, que pueden doblegar las trayectorias de la luz hasta obligarla a orbitar a su alrededor. Imaginad. ยกร“rbitas hechas de luz! No de planetas ni asteroides… sino de rayos de luz.

Fotonesfera de un agujero negro: los fotones (rayos de luz) orbitan muy cerca del horizonte de sucesos.

La regiรณn del espacio donde existen esas รณrbitas hechas de luz es lo que llamamos la ยซfotonesferaยป del agujero negro. No debรฉis confundir esto con una ยซfotosferaยป, que tiene un significado muy diferente en Astronomรญa: una fotosfera es la regiรณn donde se produce (mayormente) la luz que recibimos de un astro.

La luz que orbita un agujero negro lo hace de forma inestable. Este tipo de ยซรณrbitas inestablesยป no existen en la Mecรกnica Newtoniana. Bรกsicamente, si perturbamos (o sea, damos un empujoncito) un cuerpo con una รณrbita circular, el cuerpo pasarรก a tener una รณrbita elรญptica muy parecida a la circular que tenรญa originalmente. No obstante, en una รณrbita cerrada inestable, cualquier perturbaciรณn acabarรก, al poco tiempo, rompiรฉndola por completo. Eso significa que esas รณrbitas lumรญnicas pueden quebrarse en cualquier momento, dejando escapar a los rayos de luz que habรญa allรญ atrapados, para que comiencen una eterna odisea vagando por el espacio intergalรกctico.

Algunos de esos afortunados rayos de luz se dirigirรกn rumbo a la Tierra, llevando codificada en sus entraรฑas la informaciรณn necesaria para que el Event Horizon Telescope (EHT) pueda reconstruir la imagen de aquel lugar donde estuvieron atrapados mรกs de 50 millones de aรฑos atrรกs.

Disposiciรณn de los radiotelescopios del EHT que participaron en la observaciรณn de M87*.

La imagen se compone de dos partes: una viene directamente del disco de materia que alimenta al agujero negro (el ยซdisco de acrecimientoยป). La otra viene del anillo de luz formado por los rayos de la fotonesfera que rompieron sus รณrbitas alrededor de ese abismal pozo gravitatorio.

Midiendo el tamaรฑo del anillo (y conociendo la masa de M87* y su distancia a la Tierra), podemos poner a prueba las predicciones mรกs salvajes de la Relatividad General: las que nos dicen cรณmo se mueve la luz cerca del horizonte de sucesos; esa frontera del espacio y del tiempo.

No obstante, dependiendo del modelo usado en los ajustes, el anillo de luz que hay en la imagen de M87* sรณlo representa entre el 10 y el 50% de la imagen total; el resto de la emisiรณn que vemos es ยซcontaminaciรณnยป, debida a la emisiรณn directa del disco de acrecimiento.

Eso complica un poco las cosas, siendo una importante fuente de incertidumbre en la medida del tamaรฑo del anillo. Hay varias formas de disminuir ese error (esa ยซcontaminaciรณnยป del disco). En un par de semanas, os hablarรฉ de la mejor de ellas, junto con unos resultados espectaculares que estamos a puntito de publicar.

Una forma de minimizar el efecto del disco y obtener la seรฑal pura del anillo es imponer (usando tรฉcnicas estadรญsticas avanzadas) que *debe* haber un anillo de luz en los datos del EHT. O sea, que la imagen obtenida ya no serรก completamente agnรณstica a la Relatividad General.

Aunque la imagen publicada por el EHT no presupone absolutamente nada sobre la Relatividad (por lo que es un ยซtest puroยป de la misma), podemos ยซimponerยป la existencia del anillo para exprimir al mรกximo los datos… El precio es que los test resultantes ya no serรกn ยซpurosยป.

El resultado de ese anรกlisis fue un precioso artรญculo del que fui co-firmante: Broderick et al. (2022), donde mostramos la imagen sรบper-resuelta del anillo, dominado por los fotones que orbitaron por detrรกs del agujero antes de iniciar su camino a la Tierra (esos fotones forman lo que llamamos ยซla componente n=1ยป del anillo).

En naranja, se muestra la ยซcomponente n=1ยป del anillo. En violeta, la ยซemisiรณn difusaยป que se sumarรญa al anillo. Dicha emisiรณn vendrรญa, mayormente, del disco de acrecimiento.

Curiosamente, lo que para unas tareas es ruido (el disco de acrecimiento, que no nos deja ver bien el anillo), para otras tareas es justamente la seรฑal que buscas. Un ejemplo es la imagen polarizada de M87*, donde la emisiรณn del disco imprime una preciosa estructura espiral con un montรณn de informaciรณn.

Lo que vemos en esa imagen polarizada es la huella dactilar de la interacciรณn directa entre materia, luz, magnetismo, espacio y tiempo. ยกTodo a la vez y en todas partes! Esa espiral polarizada nos dice que hay un campo magnรฉtico polar atravesando el disco y la ergosfera de M87* (la ergosfera es una regiรณn donde la rotaciรณn del agujero negro arrastra consigo al espacio, obligรกndolo a ยซmoverseยป a velocidades sรบper-lumรญnicas).

Ese campo ayuda a producir un fantรกstico chorro de plasma que surge de allรญ. Pero ยฟcรณmo se forma ese chorro? ยฟPodemos decir algo sobre la creaciรณn de antimateria por esos lares? Son preguntas que iremos atacando poco a poco en el EHT. ยกManteneos a la escucha!

Y lo voy dejando por hoy. ยกNos vemos en la siguiente entrada del blog!

Metsรคhovi III: distancias satelitales al milรญmetro

Acabo de prepararos la รบltima entrada sobre mi visita a Metsรคhovi. Una que seguro que nos os dejarรก indiferentes. ยฟSabรญais que en la actualidad podemos medir la distancia Tierra-Luna (y las distancias a satรฉlites artificiales) con una precisiรณn de un milรญmetro? ยฟCรณmo se hace esto? ยฟY para quรฉ sirve? ยกVamos a ello!

Antes de empezar, os hablarรฉ de unos dispositivos รณpticos muy curiosos, de los que seguramente llevarรฉis algunos en vuestras bicis o cascos; unos dispositivos que, aunque son muy sencillos de entender y construir, hacen posible esta proeza: me refiero a los ยซretroreflectoresยป.

Un retroreflector es un tipo de espejo que tiene la propiedad de reflejar los rayos de luzโ€ฆ justo en la misma direcciรณn desde donde vinieron. ยกยฟCรณmooor?! Pero ยฟesto no contradice a la famosa ยซley de la reflexiรณnยป de Fermat? ยฟCรณmo puede haber espejos que violen esta ley?

En un espejo normal, si te pones frente a รฉl al lado de un amigo, cada uno podrรก ver el reflejo del otro. Variando la direcciรณn en la que miran vuestros ojos, tambiรฉn podrรฉis ver el pelo de vuestro amigo, su ropa, zapatos, etc.

No obstante, si os ponรฉis frente a un retroreflector, cada uno de vosotros solamente podrรก ver sus propios ojos. No habrรก forma de ver nada que no sean vuestros propios ojos, mirรฉis en la direcciรณn en la que mirรฉis en la superficie retroreflectora. Curioso, ยฟverdad?

Una forma de hacer un retroreflector es con tres espejitos puestos en direcciones perpendiculares, tal y como veis en la animaciรณn de abajo. Fijรกos como los rayos de luz vuelven exactamente por donde vinieron. Siempre. Hay otros diseรฑos posibles, como combinando lentes y espejitos.

Aquรญ tenรฉis fotos de unos retroreflectores de microondas que hay en el Observatorio de Metsahovi. Se usan para que los satรฉlites de teledetecciรณn puedan alinear sus medidas con posiciones exactas en la Tierra (son como ยซfarosยป, para que los satรฉlites sepan dรณnde estรกn mirando).

Retroreflectores de microondas, para calibrar las coordenadas de las medidas de satรฉlites de teledetecciรณn.

Puede que los retroreflectores mรกs famosos del mundo sean los que se encuentran en la superficie de la Luna, llevados allรญ por los astronautas de la misiรณn Apollo de la NASA. Aquรญ tenรฉis una foto de estos dispositivos, reciรฉn instalados. ยฟPor quรฉ los pusieron allรญ?

Retroreflectores en la Luna (Misiรณn Apollo de la NASA).

Pues para poder enviar rayos lรกser desde la Tierra y recibirlos siempre de vuelta, independientemente del lugar del mundo desde donde se envรญen. De esa forma, midiendo el tiempo que pasa entre la emisiรณn y la recepciรณn, puede medirse con precisiรณn la distancia a esos espejos lunares.

Gracias a esos espejos, hemos podido medir cรณmo la Luna se estรก alejando de la Tierra, a razรณn de 3.8 centรญmetros por aรฑo. En otra entrada es este blog os hablรฉ de este fenรณmeno y de cรณmo se relaciona con la lenta variaciรณn en la duraciรณn de los dรญas. Pero sigamos hablando de lo que toca hoy.

Ademรกs de en la Luna, tambiรฉn hay satรฉlites artificiales con retroreflectores. El objetivo es lanzar rayos lรกser desde la Tierra para medir la distancia a ellos. Si medimos el tiempo de vuelo del rayo con precisiรณn de billonรฉsimas de segundo, mediremos esas distancias al milรญmetro.

La tecnologรญa usada para estas medidas es formidable. Hace falta generar un rayo lรกser potentรญsimo, y con un control de tiempo al nivel de billonรฉsimas de segundo. Ese lรกser se envรญa al espacio a travรฉs de un telescopio (ya vรฉis; ยกen lugar de recibir luz, esta vez la emite!).

Telescopio de SLR en el Observatorio de Metsรคhovi (Finlandia)

Cuando la luz llega al satรฉlite, el retroreflector la envรญa de nuevo al telescopio que, esta vez, entra en modo normal (observaciรณn) para recibir los pocos fotones que hayan sobrevivido a todo el viaje de ida y vuelta, midiendo su tiempo de llegada con un reloj atรณmico.

Estos telescopios (que actรบan como emisor y receptor del lรกser) deben tener unas monturas muy precisas, para poder ยซcazarยป y seguir a los satรฉlites que pasen por el cielo del observatorio. Pueden apuntar a los satรฉlite con un segundo de arco de precisiรณn, sin requerir calibraciรณn.

Bueno, ยฟy quรฉ ganamos midiendo distancias a satรฉlites con esta precisiรณn? Esta tecnologรญa, llamada ยซSLRยป (Satellite Laser Ranging) permite medir el campo gravitatorio de la Tierra con finรญsimo detalle, detectando incluso posibles anomalรญas en la posiciรณn del Centro de la Tierra.

Fijรกos que el centro geomรฉtrico del geoide terrestre no tiene por quรฉ coincidir con el centro de masas (CM) de la Tierra. De hecho, la diferencia entre ambos puntos estรก contรญnuamente cambiando con el tiempo. Y la tรฉcnica SLR es ideal para detectar ese efecto, en el que influyen factores como la deriva continental, las mareas y las corrientes internas de magma.

Para estudiar la gravedad de la Tierra con este nivel de detalle, descomponemos matemรกticamente nuestro planeta en los llamados ยซarmรณnicos esfรฉricosยป, con los que podemos hacer nuestros cรกlculos gravitatorios de forma sencilla.

Descomposiciรณn de la Tierra en armรณnicos esfรฉricos

Estos armรณnicos esfรฉricos son los mismos que podรฉis ver en un libro de Quรญmica que hable de los orbitales atรณmicos. ยกLas Matemรกticas son Poesรญa! Las funciones con las que describimos la estructura atรณmica pueden usarse para modelar la estructura de nuestro planeta ยกY mucho mรกs!

Estos armรณnicos esfรฉricos tienen, ademรกs, propiedades que los hacen muy รบtiles en Geodesia y, particularmente, en SLR. Por ejemplo, los efectos de marea producidos por la Luna pueden estudiarse de manera mรกs fรกcil si los descomponemos usando estas mismas funciones. Los coeficientes de esta descomposiciรณn (que aportan mucha informaciรณn sobre la elasticidad de nuestro planeta) reciben el bonito nombre de ยซnรบmeros de Loveยป (y no porque los midiera Cupido, sino porque la persona que los definiรณ tenรญa ese interesante apellido).

Pues ya lo veis: con el SLR, podemos medir la gravedad de la Tierra y sus variaciones con precisiones extraordinariamente altas. Incluso podemos detectar efectos post-newtonianos (relativistas). ยกY no os imaginรกis la de cosas que se aprenden midiendo nuestro planeta con tanto detalle!