Campos magnéticos del agujero negro M87*: nuevos descubrimientos del Telescopio del Horizonte de Sucesos

A 55 millones de años luz, el agujero negro M87 revela un entorno magnético turbulento y cambiante. Nuevas imágenes del Telescopio del Horizonte de Sucesos muestran cómo la materia y la energía bailan al borde del horizonte de sucesos.

Por Enrique Coperías

Nuevas imágenes del Event Horizon Telescope (EHT) revelan el entorno dinámico del agujero negro supermasivo M87, con patrones de polarización que cambian por la acción de sus campos magnéticos: en 2017 en una dirección, estabilizados en 2018 y con inversión en 2021. Cortesía: EHT Collaboration

En abril de 2019, la humanidad pudo contemplar por primera vez la silueta de un agujero negro. La imagen, obtenida por el Telescopio del Horizonte de Sucesos (EHT), mostraba el anillo de luz que rodea al agujero negro supermasivo M87*, en el corazón de la galaxia elíptica Messier 87, a 55 millones de años luz de la Tierra.

Ese retrato se convirtió en un icono de la ciencia contemporánea, una especie de foto de carné de lo imposible. Pero aquel anillo incandescente no era una instantánea congelada para siempre: es un fenómeno vivo, variable, sometido a las fuerzas extremas de la gravedad y de los campos magnéticos más intensos del universo.

Ahora, un nuevo estudio de la colaboración EHT publicado en la revista Astronomy & Astrophysics ofrece una mirada mucho más dinámica: la primera secuencia de imágenes polarizadas de M87* obtenidas en tres campañas diferentes: 2017, 2018 y 2021. Los resultados muestran que la luz que nos llega desde las inmediaciones del horizonte de sucesos —la frontera invisible de un agujero negro, el límite a partir del cual nada, ni siquiera la luz, puede escapar a su gravedad —no solo dibuja un círculo estable de unos 44 microsegundos de arco de diámetro, sino que también palpita, se desplaza y cambia de polarización.

En otras palabras, los campos magnéticos alrededor del monstruo de 6.500 millones de soles laten y se reorganizan con el tiempo.

Qué ha descubierto el EHT en M87*

Las nuevas observaciones confirman lo esencial: el tamaño del anillo que rodea a M87* permanece estable. Esa circunferencia de luz, producida por electrones que giran a velocidades cercanas a la de la luz en un campo magnético colosal, se ajusta a lo esperado para la sombra de un agujero negro de su masa. Es la prueba más directa hasta la fecha de la existencia de horizontes de sucesos, las fronteras, como ya se ha mencionado, de las que nada escapa.

Sin embargo, el brillo dentro de ese anillo no es estático. En 2017, el sector más luminoso se encontraba hacia el sur. Un año después, en 2018, el máximo de intensidad se había desplazado unos 30 grados en sentido antihorario. Y en 2021, tras la incorporación de dos nuevas antenas al consorcio —el radiotelescopio de Kitt Peak en Arizona y el interferómetro NOEMA en los Alpes franceses—, la imagen volvió a mostrar un patrón semejante al de 2018, como si el plasma alrededor del agujero negro siguiera un baile turbulento pero con ciertos pasos repetidos.

Los astrónomos interpretan esta variabilidad como una huella del flujo de acreción: el material que cae hacia M87* no lo hace de forma ordenada, como en un disco de acreción clásico y estable, sino de manera caótica y azarosa, arrastrado por turbulencias de plasma y campos magnéticos que cambian con rapidez.

Qué es la polarización y por qué es clave

La gran novedad del estudio radica en la polarización de la luz. Cuando los electrones se aceleran en campos magnéticos, emiten radiación sincrotrón, que se polariza: las ondas de luz tienden a vibrar en una dirección preferente. Midiendo esa dirección, los científicos pueden reconstruir el mapa del campo magnético que gobierna el plasma alrededor del agujero negro.

En 2017, el EHT detectó un patrón de polarización en espiral con una fracción relativamente alta —hasta un 15% de la luz estaba polarizada—, lo que indicaba la presencia de un campo magnético bien organizado. Pero en 2018 y 2021 esa fracción cayó a apenas un 5%. Y más aún: en 2021 la helicidad del patrón —la dirección del remolino de los vectores de polarización— se invirtió con respecto a las campañas anteriores.

Esa inversión podría deberse a cambios reales en la configuración magnética del flujo de acreción o a la presencia de una pantalla de Faraday, esto es, una capa de plasma que distorsiona la orientación de la luz polarizada al atravesarla.

Messier 87, a 55 millones de años luz, lanza un chorro de partículas casi a la velocidad de la luz. Nuevos datos confirman que esa aceleración extrema ocurre justo en el corazón de la galaxia. Cortesía: NASA, ESA, A. Lessing (Stanford University), E. Baltz (Stanford University), M. Shara (AMNH), J. DePasquale (STScI)

Unos potentes chorros relativistas

Estos hallazgos confirman que los campos magnéticos en las inmediaciones de M87* no son estáticos, sino que varían en cuestión de años —y posiblemente de semanas o días, según predicen las simulaciones numéricas—.

En un entorno donde la gravedad curva el espacio-tiempo y la materia se calienta hasta miles de millones de grados, los campos magnéticos juegan un papel crucial: canalizan el gas hacia el agujero negro, pero también pueden lanzar hacia afuera los potentes chorros relativistas que hacen de M87 una de las galaxias más espectaculares del cielo.

Recodemos que los chorros relativistas son enormes haces de plasma que salen disparados desde las inmediaciones de un agujero negro casi a la velocidad de la luz, guiados y estabilizados por campos magnéticos, y capaces de transportar energía a distancias de miles de años luz.

«Chorros como el de M87 desempeñan un papel clave en dar forma a la evolución de sus galaxias anfitrionas. Al regular la formación estelar y distribuir energía a lo largo de vastas distancias, afectan al ciclo de vida de la materia a escalas cósmicas”, explica Eduardo Ros, del Instituto Max Planck de Radioastronomía (MPIfR).

El enigma de la «raya recta»

De hecho, las observaciones de 2021 han permitido por primera vez al EHT detectar emisión procedente del propio chorro de M87* en escalas muy próximas al horizonte de sucesos, menos de un milisegundo de arco.

Es un paso decisivo para comprender cómo se forman estas estructuras colosales, capaces de transportar energía a lo largo de cientos de miles de años luz y de influir en la evolución galáctica.

El chorro de M87 fue observado por primera vez hace más de un siglo, en 1918, como una enigmática raya recta que emergía del núcleo galáctico. Hoy sabemos que se trata de un chorro de plasma expulsado casi a la velocidad de la luz, colimado y estabilizado por campos magnéticos gigantescos. Pero el mecanismo exacto que lo origina sigue siendo uno de los mayores misterios de la astrofísica. Estas nuevas imágenes acercan a los investigadores a la respuesta.

Así cambian los campos magnéticos del agujero negro M87: en 2017 giraban en una dirección, en 2018 se equilibraron y en 2021 invirtieron su sentido. Cortesía: EHT Collaboration

Lo estable y lo variable en M87*

Una de las paradojas del estudio es que M87* muestra al mismo tiempo estabilidad y variabilidad. El tamaño del anillo —43,9 microsegundos de arco, con un margen de error de apenas un 1,5%— permanece constante en todas las campañas. Esto significa que la geometría del agujero negro está bien definida y no cambia. Pero la distribución del brillo y, sobre todo, el patrón de polarización, varían con el tiempo.

Esa combinación es valiosísima para los teóricos: confirma que la sombra del agujero negro es un rasgo robusto, pero también que el plasma que la ilumina es dinámico y está gobernado por fenómenos turbulentos que hay que entender en detalle. Simulaciones de magnetohidrodinámica relativista (GRMHD) sugieren que M87* podría estar en un estado conocido como disco magnéticamente arrestado, donde los campos magnéticos son tan fuertes que frenan el material que intenta caer y generan estructuras complejas y cambiantes.

«Lo notable es que, aunque el tamaño del anillo se ha mantenido constante a lo largo de los años, lo que confirma la sombra del agujero negro predicha por la teoría de Einstein, el patrón de polarización cambia de forma significativa —señala Paul Tiede, astrónomo del Center for Astrophysics, Harvard & Smithsonian.. Y añade—: Esto nos dice que el plasma magnetizado que gira cerca del horizonte de sucesos está lejos de ser estático; es dinámico y complejo, y lleva nuestros modelos teóricos al límite».

El esfuerzo global del Event Horizon Telescope

Hay que resaltar que nada de esto sería posible sin la coordinación planetaria que supone el Event Horizon Telescope, un conjunto de telescopios vinculados telemáticamente que combinan datos procedentes de estaciones de interferometría de muy larga base (VLBI) ubicadas en diversas partes de la Tierra.

Para obtener la resolución necesaria —equivalente a distinguir una naranja en la superficie de la Luna—, los astrónomos combinan antenas de radio repartidas por todo el globo en un gigantesco interferómetro. En 2017 participaron ocho estaciones; en 2021, con la incorporación de NOEMA y Kitt Peak, la red se hizo aún más poderosa.

«El mejoramos el EHT año tras año, con telescopios adicionales y equipos actualizados, nuevas ideas para exploraciones científicas y algoritmos novedosos para obtener más información de los datos», apunta Michael Janssen, de la Universidad Radboud de Nimega, en Países Bajos.

Los frutos de una mayor sensibilidad

El procesamiento de los datos requiere calibraciones extremadamente complejas y el uso de múltiples algoritmos de reconstrucción de imágenes. El nuevo estudio probó hasta siete técnicas diferentes, desde métodos clásicos como el llamado CLEAN hasta enfoques bayesianos de última generación, para garantizar que los patrones observados son reales y no artefactos.

El resultado: la confianza en la fiabilidad de las imágenes del EHT es hoy mucho mayor que en 2019, y los científicos pueden estudiar no solo la forma del anillo, sino también su dinámica interna.

«La mejora en la calibración ha supuesto un aumento notable en la calidad de los datos y en el rendimiento de la red, con nuevas líneas base cortas —entre NOEMA y los telescopios IRAM de 30 metros, y entre Kitt Peak y el SMT— que proporcionan las primeras restricciones sobre la emisión tenue en la base del chorro —destaca Sebastiano von Fellenberg, de la Universidad de Toronto y exinvestigador del MPIfR. Y añade—: Este salto en sensibilidad también mejora nuestra capacidad para detectar señales sutiles de polarización”,

En M87, los campos magnéticos de su agujero negro son tan fuertes que frenan la materia y lanzan chorros casi a la velocidad de la luz. Cortesía: EHT Collaboration

Próximos pasos: hacia películas del horizonte de sucesos

La serie de imágenes obtenidas entre 2017 y 2021 no es aún una película, pero se le parece. Y ese es el objetivo a medio plazo del EHT: captar la variabilidad del plasma y de los campos magnéticos a escalas de días o incluso de horas, para construir secuencias que muestren literalmente cómo respira un agujero negro.

Con la incorporación de nuevas antenas —como el futuro observatorio ngEHT— y el uso de frecuencias más altas que permitirán ver con mayor nitidez, los astrónomos esperan acercarse a ese sueño. También planean combinar las observaciones de M87* con las de Sagitario A*, el agujero negro del centro de la Vía Láctea, que muestra variabilidad aún más rápida debido a su menor tamaño.

Los resultados no solo tienen valor estético o tecnológico. Comprender la física del plasma magnetizado alrededor de los agujeros negros es esencial para explicar cómo crecen estas criaturas cósmicas y cómo influyen en sus galaxias anfitrionas. Los chorros de M87, alimentados por M87*, inyectan energía en el gas intergaláctico y pueden frenar la formación de nuevas estrellas. Así, los campos magnéticos que se retuercen a unos pocos radios de Schwarzschild del horizonte de sucesos tienen consecuencias a escalas de cientos de miles de años luz.

En cierto modo, el EHT está enseñándonos que los agujeros negros no son simples tragadores de materia, sino motores cósmicos que reciclan parte de la energía que devoran y la redistribuyen en el universo.

Un motor cósmico vivo

Hace apenas una década, imaginar que podríamos observar cómo cambia con el tiempo la luz polarizada en el borde de un agujero negro sonaba a ciencia ficción. Hoy, gracias a la cooperación internacional, a la potencia de la interferometría de muy larga base y al esfuerzo de centenares de científicos e ingenieros, tenemos no solo una foto, sino una serie temporal que revela la compleja danza de la materia y los campos magnéticos bajo la tiranía de la gravedad extrema.

La historia de M87* no terminó en 2019 con la primera imagen. Al contrario, acaba de comenzar. Cada nueva campaña del EHT añade piezas a un rompecabezas fascinante: cómo se organiza el plasma en los últimos compases antes de ser devorado, cómo se configuran los campos magnéticos que lo moldean, y cómo de esas condiciones extremas emergen los chorros que conectan el núcleo de una galaxia con el cosmos intergaláctico.

El agujero negro de M87 ya no es un icono estático: es un objeto vivo, cambiante, que nos invita a mirar más de cerca. Y cada vez que lo hacemos, descubrimos que el universo tiene aún más imaginación de la que sospechábamos. ▪️

• Información facilitada por la Sociedad Max Planck para la Promoción de la Ciencia