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La imagen del agujero negro arroja luz sobre los misterios de la Vía Láctea

La primera imagen del agujero negro supermasivo de nuestra galaxia, publicada a principios de este mes, ya ha comenzado a explicar algunos misterios persistentes sobre el núcleo de la Vía Láctea.

La gran cantidad de información nueva sobre el agujero negro, llamado Sagitario A*, se une a muchas otras líneas de evidencia que ahora pintan una imagen detallada del centro galáctico. En conjunto, los resultados indican que Sagitario A* está absorbiendo materia a un ritmo lento, haciéndola inusualmente débil en comparación con los agujeros negros centrales de otras galaxias. Las observaciones también indican que Sagitario A* habría estado sorprendentemente activo hace solo unos pocos millones de años. Mientras tanto, los últimos datos plantean nuevas preguntas sobre algunas de las estructuras más grandes vistas en la Vía Láctea y sus alrededores.

La foto, publicada por la colaboración Event Horizon Telescope (EHT) el 12 de mayo, fue lo más destacado de un conjunto de diez artículos en número especial de Cartas de revistas astrofísicas1. Pero los datos básicos, recopilados en 2017, contienen más información que los científicos aún están buscando, dice Sera Markov, miembro del EHT, astrofísico teórico de la Universidad de Ámsterdam. «Es como el cielo», dice, para los astrofísicos.

La imagen muestra un anillo brillante de emisiones de radio que rodea una sombra oscura. Esta sombra se encuentra detrás del horizonte de sucesos del agujero negro, la esfera intangible que marca el punto de no retorno para todo lo que la cruza. El análisis detallado de los datos de EHT ahora ha confirmado muchos aspectos de los modelos teóricos y de computadora que describen cómo se produce el anillo brillante.

Cuando la materia en un agujero negro gira casi a la velocidad de la luz, forma un «disco de acumulación» que envía radiación a través del espectro electromagnético, incluidas las ondas de radio que los telescopios EHT pueden detectar. Sus datos muestran que el disco de acreción se parece más a un pastel hinchado que a un panqueque plano. Esta forma de engorde significa que el disco está alimentando el agujero negro con restos de materia a un ritmo pausado, lo que lo hace relativamente débil en comparación con otros agujeros negros más codiciosos.

La colaboración EHT publicó esta imagen del agujero negro Sagitario A* a principios de este mes.Crédito: Colaboración EHT

Aunque la forma del disco de acreción cumplió con las expectativas, muchos astrofísicos se sorprendieron de que los datos del EHT mostraran que el disco era una «cara abierta». Esto significa que su eje de rotación está en un ángulo de menos de 50 grados desde nuestra línea de visión desde la Tierra.

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Algunos científicos esperaban que el eje de rotación del disco girara verticalmente, mostrando el «borde» del disco de acreción desde el punto de vista de la Tierra. Esta tendencia surgirá de la interacción de tres ciclos separados: el espléndido giro de los brazos espirales de la galaxia, la materia que cae alimentando el disco de acreción y el mismo agujero negro que gira rápidamente.

Sagitario A* probablemente se formó a partir de la fusión de dos agujeros negros, cuando un par de galaxias se juntaron para formar la Vía Láctea. Al principio, la rotación del nuevo agujero negro podría haber apuntado en cualquier dirección. Pero a medida que crecía al alimentarse de polvo y gas, el impulso de la materia que caía podría haber alineado lentamente la rotación del agujero negro con la rotación de la galaxia, dice Priya Natarajan, astrofísica de la Universidad de Yale en New Haven, Connecticut. Dado que la Vía Láctea no ha tenido una fusión durante al menos mil millones de años, los tres ciclos ya deberían haberse alineado.

Sin embargo, los resultados preliminares del EHT descartaron casi con certeza la existencia de un eje de giro vertical para el disco de acreción, y posiblemente también para el propio agujero negro. Esto coincide con las observaciones realizadas en 2018 por el Very Large Telescope (VLT), una instalación en la montaña Cerro Paranal en Chile, que vio destellos de material girando cerca del horizonte de eventos del agujero negro en el sentido de las agujas del reloj, donde el EHT solo vio una campana. «De hecho, puedes superponer estas dos imágenes», dice Stefan Gelsen, un radioastrónomo del Instituto Max Planck de Física Extraterrestre en Garching, Alemania.

Gilsen y sus colaboradores realizaron el estudio usando el instrumento GRAVITY, que recolecta luz infrarroja de los cuatro platos VLT de 8 metros de ancho para lograr una resolución comparable a la de un solo telescopio de 130 metros de ancho. GRAVITY, al igual que el EHT, descubrió que el disco de acreción tiene una orientación frontal, con su eje de rotación en un ángulo de 20 a 30 grados desde nuestra línea de visión.

Esta orientación directa también es consistente con décadas de observaciones sobre la estructura de la región central de la Vía Láctea, dice Jason Dexter, astrofísico teórico de la Universidad de Colorado Boulder y miembro de las colaboraciones GRAVITY y EHT. El disco de acreción del agujero negro lo proporciona el material que fluye de las estrellas que orbitan Sagitario A* en un disco de aproximadamente 0,3 parsecs (1 año luz) de ancho, dice. Así que la orientación del disco de acreción debería coincidir con el disco de estrellas, en lugar de la estructura mucho más grande de la galaxia, dice Dexter. «No hay problema allí, y probablemente deberíamos haber esperado eso».

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Los datos de EHT de 2017 no pueden confirmar la rotación en el sentido de las agujas del reloj del disco de acreción visto por GRAVITY, dice Charles Jami, miembro de la Colaboración EHT de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign. Pero el equipo ha estado recopilando más datos y pronto podría responder esa pregunta. «Las nuevas observaciones de 2022 pueden contener suficiente información, especialmente si podemos hacer una película y ver cómo giran las estructuras», dice Jamie.

Corrientes espirales

Al alejarse del centro galáctico, los astrónomos trazaron previamente muchas estructuras más grandes, incluso de unos pocos parsecs de ancho. Estos incluyen una «pequeña espiral» hecha de corrientes de gas que recuerda a los brazos espirales de la Vía Láctea, pero 10.000 veces más pequeña. No parece haber mucha materia goteando hacia adentro desde la hélice en este momento, pero en el pasado habría alimentado el agujero negro durante los períodos de actividad más intensa.

Curiosamente, esta espiral no se alinea con el disco de estrellas alrededor de Sagitario A*, ni con su disco de acreción ni con la propia galaxia. «No es necesario que el centro de la galaxia se alinee con el plano de la galaxia», dice Markov. «No necesariamente esperas que las cosas que suceden cerca de un agujero negro sepan algo sobre el plano galáctico».

Los modelos como Natarajan que predicen una alineación gradual de la rotación del agujero negro solo pueden aplicarse a las galaxias que proporcionan un flujo constante de materia al agujero negro durante un largo período, dice Andrew King, astrofísico de la Universidad de Leicester, Reino Unido. . Este no parece ser el caso de la Vía Láctea, ni de muchas otras galaxias que parecen tener agujeros negros sesgados en el centro. «La razón debe ser que el gas que alimenta el agujero negro no está orientado de manera ordenada, sino que viene en anillos discretos cuyas direcciones están dispuestas de forma completamente aleatoria en comparación con el eje de rotación del agujero negro», dice King.

Este tipo de alimentación caótica puede hacer que el agujero negro siga girando a un ritmo bastante lento, lo que le permite acumular suficiente materia para crecer rápidamente. Esto podría ayudar a explicar cómo algunos agujeros negros se han vuelto tan masivos y rápidos: algunos ya tenían miles de millones de veces la masa del Sol cuando el universo tenía una décima parte de su edad actual.

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soplar burbujas

Aunque toda esta evidencia parece estar de acuerdo con la dirección de Sagitario A*, todavía hay grandes preguntas sobre la posible conexión entre el agujero negro y otras características masivas que se pueden ver alrededor del centro galáctico.

En 2010, los astrónomos utilizaron el telescopio espacial de rayos gamma Fermi de la NASA para mapear dos lóbulos masivos de gas que se extienden directamente por encima y por debajo de la región central de la galaxia, de 7.700 parsecs de largo. Estos lóbulos brillan en los rayos X y se conocieron como burbujas de Fermi. Y en 2020, el telescopio de rayos X eROSITA a bordo de la sonda germano-rusa detectó burbujas más grandes en la misma región del espacio.

Imagen compuesta de Fermi-eROSITA que compara la morfología de las burbujas de rayos gamma y rayos X.

Imagen compuesta que muestra burbujas de Fermi (rojo) y burbujas detectadas por Erosita (azul).Crédito: P. Predehl et al / naturaleza

Las observaciones sugieren que estas burbujas son el resplandor de las ondas de choque que han salido del centro galáctico en los últimos 20 millones de años más o menos. Una fuente plausible de esta onda de choque puede ser una explosión de actividad de formación estelar, que conduce a una gran cantidad de explosiones estelares llamadas supernovas. Pero el otro principal sospechoso es un intenso período de alimentación del arco a*.

Los investigadores también encontraron columnas brillantes de gas que se extendían más de 150 parsecs desde el centro galáctico, lo que puede indicar que Sagitario A* creó las burbujas de Fermi. Dice el astrofísico Gabriel Ponte, miembro de Gleeson en el Instituto Max Planck en Peel.

Pero las burbujas parecen alinearse perpendicularmente al eje de la Vía Láctea, por lo que no está claro cómo pudieron haberse originado en un agujero negro inclinado en una dirección diferente. Una posibilidad es que las burbujas sean el resultado final de muchos períodos intensos de alimentación separados, cada uno arrojando el material en una dirección diferente. «Lo que mostró el EHT fue una instantánea. Las burbujas de Fermi revelan actividad durante largos períodos de tiempo», dice Simona Morgia, astrónoma de la Universidad de California en Irvine, que trabaja en la misión Fermi.

Ponti dice que un telescopio espacial de rayos X llamado Athena, que será lanzado por la Agencia Espacial Europea a mediados de la década de 2030, podría ayudar a resolver el problema al mapear el movimiento del gas en las burbujas de Fermi.