Sagitario A*: el elusivo agujero negro en el centro de nuestra Galaxia 

Arturo Gómez Ruiz y Alfredo Montaña Barbano (INAOE)

El centro de nuestra Galaxia, la Vía Láctea, siempre ha llamado la atención de los astrónomos, al menos, desde que inició la era de los telescopios hace ya algunos siglos: es un lugar lleno de misterio debido a su peculiar oscurecimiento que no permite a la luz visible atravesarlo. El descubrimiento de otros tipos de luz que no pueden ver nuestros ojos, como el infrarrojo y las ondas de radio, dieron la esperanza de develar los enigmas que se esconden en esta región tan recóndita de la Galaxia.

Gracias a la invención de telescopios que registran estos tipos de luz, hemos podido saber mucho de esta parte del universo como, por ejemplo, que ahí existen estrellas que se mueven a grandes velocidades alrededor de un punto invisible; es justo este punto que no emite luz lo que había eludido a los astrónomos y sus instrumentos por décadas… hasta este año 2022.

Una de las predicciones más interesantes de la teoría de la relatividad general, una teoría publicada por Albert Einstein en 1915 para explicar la gravedad, era la posible existencia de los agujeros negros: enormes concentraciones de materia en regiones pequeñas del espacio que producen una fuerza de atracción gravitacional tan intensa que ni la luz puede escapar de su influjo. A la frontera a partir de la cual nada puede escapar de la atracción gravitacional de un agujero negro se le conoce como su horizonte de eventos.

Poco después de ser publicada la teoría de la relatividad general, Karl Schwarzschild resolvió las ecuaciones de Einstein para un agujero negro esférico y estático, encontrando que el tamaño de su horizonte de eventos es directamente proporcional a su masa. Con este resultado, quedó claro que si pudiésemos medir el tamaño del horizonte de eventos de un agujero negro, podríamos saber su masa y con ello probar la validez de la relatividad general en campos gravitacionales extremos.

Hacia la década de 1970, varios físicos empezaron a investigar cómo podría ponerse en evidencia el horizonte de eventos, que sería la estructura física más cercana al agujero negro susceptible de ser observada. Uno de los casos más exitosos lo llevó a cabo Jean Pierre Luminet, quien usando las ecuaciones de Schwarzschild, llegó a la predicción de una imagen de la luz circundante al horizonte de eventos que hacia su zona central mostraba una sombra oscura (Figura 1). Con base en estos primeros resultados, se manifestó la posibilidad de visualizar agujeros negros a partir de su sombra.

Fotografía simulada de un agujero negro esférico con un delgado disco de acreción. Crédito: J. P. Luminet (1979). 

Figura 1. Fotografía simulada de un agujero negro esférico con un delgado disco de acreción. Crédito: J. P. Luminet (1979).

Ya en el siglo XXI, simulaciones más precisas predijeron el tamaño de la sombra de agujeros negros que se sospechaba debían existir en el centro de diferentes galaxias. Por su tamaño aparente en el cielo, las sombras del agujero negro en el centro de nuestra Galaxia denominado Sagitario A* (Sgr A*) y el de la galaxia M87 (M87*) fueron las más aptas de ser detectadas con la tecnología actual.

Sin embargo, tal hazaña llevaría al extremo las técnicas de observación desarrolladas por la radioastronomía, pues para la detección de estos objetos se requiere de un telescopio ¡del tamaño de la Tierra! Las simulaciones también mostraban que la sombra se revelaría tan solo con observaciones a longitudes de onda milimétrica, para lo cual un tipo especial de telescopio era requerido.

Un telescopio de dimensiones planetarias es en la práctica imposible de construir, pero los radioastrónomos desde mediados del siglo XX desarrollaron la técnica llamada síntesis de apertura, comúnmente conocida como interferometría. Dicha técnica mezcla señales detectadas por un arreglo de telescopios, lo que permite simular así uno solo de un tamaño igual a la separación máxima entre los elementos del arreglo.

Para los casos de los horizontes de eventos en Sgr A* y M87*, la combinación de longitud de onda milimétrica y el arreglo de telescopios ubicados a lo largo de la faz de la Tierra da como resultado la nitidez suficiente para poder distinguir sus sombras. Este arreglo es justamente el Telescopio de Horizonte de Eventos (EHT, por sus siglas en inglés), en cuyo desarrollo y explotación científica participaron más de 300 investigadores alrededor del mundo, y cuyo objetivo fue precisamente tomar la primera imagen de estos dos objetos.

Después de dos años de procesar y analizar datos, en abril de 2019 la colaboración del EHT dio a conocer la primera imagen de un horizonte de eventos en M87*. Casi tres años después, con un esfuerzo aún mayor en el tratamiento de los datos obtenidos, en mayo de 2022 se hizo pública la primera imagen del horizonte de eventos en el centro de nuestra propia Galaxia, Sgr A*. Las imágenes obtenidas estuvieron acorde con las predicciones: un anillo de luz rodeando una región oscura con las características de un horizonte de eventos (Figura 2).

Comparación de tamaños de los agujeros negros en M87* y Sgr A*, observados por el EHT. Créditos: colaboración EHT (2022). 

Figura 2. Comparación de tamaños de los agujeros negros en M87* y Sgr A*, observados por el EHT. Créditos: colaboración EHT (2022).

El Gran Telescopio Milimétrico Alfonso Serrano (GTM) en México tuvo un papel central en la obtención de ambas imágenes, tanto por su ubicación geográfica como por su tamaño, que lo hace uno de los dos elementos más grandes en superficie colectora dentro del arreglo del EHT.

La publicación de estas imágenes marcan un hito en la historia de la astronomía moderna y, con ello, después de grandes esfuerzos de planeación y gestión de recursos financieros y humanos, el nombre de México y del GTM han quedado escritos en la historia por contribuir a la que, sin duda alguna, será una de las hazañas más asombrosas de la ciencia del siglo XXI.

Autores

El doctor Arturo I. Gómez Ruiz estudió física en la Facultad de Física de la Universidad Veracruzana en Xalapa, la maestría en Ciencias (Astronomía) en el Centro de Radioastronomía de la UNAM en Morelia, y el doctorado en Ciencias Naturales con especialidad en Astrofísica en el Instituto Max-Planck de Radioastronomía y la Universidad de Bonn en Alemania. Después de estancias posdoctorales en Italia y Alemania, desde 2014, es investigador Conacyt asignado al INAOE en su proyecto GTM. Correo electrónico: (aigomez@inaoep.mx).

El doctor Alfredo A. Montaña Barbano estudió física en la Facultad de Física de la Universidad Veracruzana en Xalapa, y la maestría y el doctorado en Ciencias con especialidad en Astrofísica en el Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE). Desde 2014, es investigador Conacyt afiliado a la coordinación de Astrofísica del INAOE y científico de soporte del GTM. Su principal línea de investigación es la astrofísica extragaláctica y la cosmología milimétrica. Correo electrónico: (amontana@inaoep.mx).

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