Donde nadie ha llegado antes

No sé por qué me crucé con una imagen de un viejo capítulo de Star Trek: The Next Generation, la exitosa serie de fines de los ochentas. Me intrigó esta vista desde el puente de mando del Enterprise:

El objeto brillante de la derecha, que podría ser el logo de una hamburgesería cósmica, es una galaxia bien conocida del blog, Centaurus A. Si bien es una galaxia relativamente cercana, se encuentra a algo más de 10 millones de años luz. Para verla de ese tamaño en el cielo, habría que tenerla más cerca que la galaxia de Andrómeda. ¿Era un paisaje preparado para el efecto visual, sin mayor significado, o tenía algo que ver con la historia? Fui fan de la serie hace cuatro décadas, así que me dio ganas de buscar el capítulo. No siempre es una buena idea escarbar en esos recuerdos felices de antaño, y efectivamente la historia me pareció bastante zonza. Resulta que un ingeniero de Starfleet aborda el Enterprise con un extraterrestre, para hacer un experimento con los motores. El extraterrestre los reprograma de alguna manera, y en un santiamén recorren una distancia inmensa, saliendo de la región explorada por la Federación, y quedan estacionados ahí, cerca de Centaurus A. Como justo había hecho una linda foto de Cen A, hice mi propia escena con mi modelito del Enterprise flotando frente a ella:

Encima, cuando tratan de volver, el extraterrestre los lleva todavía más lejos:

Se encuentran en un lugar que parece estar fuera del universo, un lugar donde realmente "nadie ha llegado antes". Un lugar donde la frontera entre el mundo real y el mental se confunden, y la tripulación empieza a experimentar peligrosas alucinaciones, como cuando el Capitán Picard abre la puerta del ascensor y casi se sale de la nave:

El alienígena se debilita cada vez que hace estos esfuerzos de propulsión trans-warp, y se pone medio transparente ante la mirada embobada de los tripulantes. Pero se hace amigo de Wesley Crusher, el insoportable adolescente interpretado por Wil Wheaton (que había saltado a la fama el año anterior por Stand My Me). Wesley lo ayuda a traer al Enterprise de regreso a la Federación, Picard lo designa cadete de Starfleet, y es el comienzo de su exitosa carrera. Así que es un capítulo importante para el canon de Star Trek. En el camino de vuelta, desde el puente de mando, volvemos a ver a Centaurus A como un escollo fugaz cuando parece que la nave la atraviesa:

Pasarle a Centaurus A por el medio no sería una buena idea. El telescopio espacial Webb eligió esta galaxia para celebrar su cuarto cumpleaños, difundiendo unas extraordinarias imágenes de su región central. Como hemos comentado más de una vez, la franja oscura que cruza la galaxia es un caos de polvo  y gas fríos, restos de una galaxia espiral que fue devorada por la gran elíptica que forma los "panes" de la "hamburguesa". Al igual que en la Vía Láctea, el polvo oculta el núcleo de la galaxia, que contiene un agujero negro muy activo. Pero la visión infrarroja del Webb permite ver a través del polvo, y en infrarrojo medio se ve así:

Hay una cantidad de estructuras insospechadas allí. Vean arriba a la derecha, parece que el disco azulado se está "desplumando". ¿Y el trapecio central? ¿Y los filamentos rojos? ¿Son impulsados por el viento del agujero negro, que imaginamos dentro del objeto brillante y puntual que se ve en el centro? 

Como siempre, hay también una imagen en infrarrojo cercano, que muestra el polvo de manera más fantasmal, y permite ver las estrellas:

Esta imagen es notable. Tuve que reducirla drásticamente para ponerla aquí, pero la original de 11 mil pixels de lado permite ver las estrellas individuales, aunque se encuentran a 10 millones de años luz de distancia. En la nota de prensa del Webb hay también una imagen combinada, que muestra ambos recortes en el contexto de la galaxia entera:

Centaurus A forma parte de un anillo de galaxias gigantes que nos rodean, y pronto volveremos a ocuparnos de ellas. 

 

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Las imágenes del Capítulo 6, Temporada 1, de Star Trek: The Next Generation, son de Paramount (creo). 

La imagen del Enterprise flota frente a una foto mía de Centaurus A. Le pedí a Gemini que eliminara mis dedos, el reflejo en la pantalla y las estrellas (que son todas de nuestra propia galaxia), y lo hizo perfecto:

Noten que la góndola izquierda del motor warp está oculta por mi dedo en esta foto, pero Gemini la agregó correctamente, además de completar la popa de la nave. Mi foto de la galaxia, hecha con el Seestar S50, es ésta: 

Las imágenes de la región central de Centaurus A son de NASA/ESA/Webb.

El viento de Sagitario A

Toda galaxia grande tiene un agujero negro supermasivo (de millones de masas solares) en el centro. Se cree que ambos se formaron más o menos al mismo tiempo en los albores del universo, y que la interacción entre ellos fue crucial en su evolución temprana. El principal mecanismo de esta interacción no es la gravedad, como podría imaginarse ingenuamente, sino los poderosos jets (chorros) que surgen del entorno del agujero negro o, más en general, lo que se llaman vientos. Esta actividad es particularmente intensa en los quasars, que tuvieron su época de gloria hace miles de millones de años, pero podemos verlos incluso en el universo cercano. Sin embargo, a pesar de la relativa proximidad del agujero negro central de nuestra galaxia, Sgr A* (se promuncia "sagitario-a-estrella"), su viento no se ha dejado ver. Es cierto que existen dos grandes burbujas de gas supercaliente, que brillan en radiación gamma, a un lado y a otro del plano de la Vía Láctea, delatando que hace añares nuestro agujero negro fue mucho más activo que ahora:

 

Pero por fin, el radio observatorio ALMA, que observa el cielo en la longitud de onda milimétrica con mayor resolución que cualquier otro, ha logrado verlo. Específicamente, lo que han visto es una gran región cónica vacía en la inmensa nube interestelar que rodea a Sgr A*, de al menos 1 pársec (unos 3 años luz) de largo: 

Este mapa es al menos 100 veces más sensible y con una resolución 80 veces mayor que lo que conocíamos, así que finalmente nos muestra en detalle la región que rodea al agujero negro central, que es una vasta nube de gas molecular caliente (la principal substancia para el estudio es monóxido de carbono, a unos 100 K, o sea 200 grados celsius bajo cero, que es caliente para el espacio entre las estrellas), y moviéndose a gran velocidad de manera muy organizada. El panel de la derecha de la figura de arriba muestra velocidades de acercamiento (en azul) y alejamiento (en rojo) de hasta 200 km/s. La estructura de los colores muestra que esta nube está en rotación y probablemente cayendo hacia el agujero negro, donde alimentará el disco de acreción que permite ver la silueta del agujero negro en las imágenes del Event Horizon Telescope.

En una imagen combinada de ALMA con el telescopio espacial Chandra, se puede ver que el cono vacío de monóxido (naranja en esta imagen) está lleno de gas a millones de grados, emitiendo en rayos X (azul):

Coincidentemente, el mes pasado también se publicó el descubrimiento de un par de jets en otra galaxia cercana, la galaxia elíptica Messier 60, en Virgo. Tiene uno de los agujeros negros más grandes conocidos, mil veces mayor que Sgr A*, pero que también está "dormido". 

La región central de la Vía Láctea es extremadamente compleja, y debido a nuestra ubicación en la galaxia, muy difícil de observar. De a pedacitos se va completando su imagen y su dinámica.

 

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El paper es Gorski and Murchikova, The Discovery of an Active Wind from the Milky Way’s Central Black Hole, Astro. J. Let. 1004:L7 (2026).

El de M60 es: Cheng et al., A Jet from a Nearly Dormant Black Hole, https://arxiv.org/abs/2606.11900v1.

La imagen de Sgr A* es del Event Horizon Telescope (EHT). La de las Burbujas de Fermi es de NASA/Fermi.

El tamaño de Júpiter

Este debe ser el único caso en que, como resultado de la observación de la esposa, el marido resulta ser más delgado. 

Se trata de Júpiter, que es holgadamente el planeta más grande del sistema solar. Específicamente, de su tamaño: ¿cuánto mide de polo a polo, cuánto mide en el ecuador? No es una pregunta fácil de contestar. Es más difícil de medir que su masa, que se conoce con enome precisión debido a su acción gravitatoria sobre sus lunas y los robots que lo han visitado. El tamaño es más difícil, en primer lugar porque está muy lejos de la Tierra, y en segundo lugar porque su superficie visible no es sólida: vemos solamente su atmósfera exterior, completamente ocupada por nubes. Con el Sol rasante, en el limbo del planeta, este tipo de superficie es difícil de ver.

La mejor manera de determinar el tamaño de un objeto astronómico es observar cómo oculta una fuente puntual de luz (típicamente una estrella). Si el objeto no tiene atmósfera, esto es relativamente fácil de hacer. Si tiene atmósfera es más complicado, porque la atmósfera afecta la desaparición. Lo que puede hacerse es medir precisamente cómo se distorsiona la luz ocultada (por absorción y refracción en la atmósfera), y calcular dónde se encuentra la superfice en la cual la presión atmosférica es 1 bar (que es la presión atmosférica normal en la superficie terrestre). Esa superficie es la que define, convencionalmente, el "tamaño" del objeto.

Esto suena razonable, pero también es difícil. ¡En particular, cuando la atmósfera es opaca, como la de Júpiter! Hay una salida: la atmósfera es opaca en luz visible, pero es bastante transparente en radio. Durante los sobrevuelos de las sondas Pioneer y Voyager (en la década de 1970) se usaron las ocultaciones de las naves detrás del planeta para medir cuidadosamente sus transmisiones de radio. El resultado fueron 6 puntos, a distintas latitudes, que permitieron calcular el radio de Júpiter con gran precisión:

radio polar: 66 854 ± 4 km

radio ecuatorial: 71 492 ± 4 km

Un error de 4 km en 70 mil está bastante bien, es un 0.005%, pero debería poder hacerse mejor. Años más tarde, el robot Galileo estuvo en órbita de Júpiter durante 8 años, pero no se usó su transmisor para medir el planeta. No sé por qué, tal vez porque su antena principal falló y no confiaron en hacer una buena calibración con las antenas secundarias. Pero desde hace ya 10 años está en órbita la nave Juno, bautizada con el nombre de la esposa del dios grecorromano, con la misión precisa de espiar bajo el velo de nubes. Un trabajo publicado este año ha usado las ocultaciones de Juno para medir el tamaño de su marido en un montón de latitudes. 

Han usado incluso un modelo mejorado, que tiene en cuenta los fuertes vientos medidos por Juno, y redujeron el error de medición a apenas 400 metros:

radio polar: 66 842 ± 0.4 km

radio ecuatorial: 71 488 ± 0.4 km

Así que el radio ecuatorial es 4 km menor que el valor de 50 años atrás, y el radio polar 12 km menor. El aplastamiento polar (debido a la rápida rotación de Júpiter, que completa un día en 10 horas) también cambió: el actual es 6.5%, algo mayor que en la medición anterior, de 6.49%. Aquí están comparados en una figura:

Cuatro kilómetros parecen poco, pero los autores han evaluado el impacto que tiene esto en los modelos físicos de Júpiter. Al ser más chico, para la misma masa, es más denso. El ligero aumento de densidad resulta significativo en la composición elemental, afectando hasta en un factor 2 la presencia de elementos pesados cerca de la superficie (pero no tanto en la profundidad). Van a usar más ocultaciones de Juno, por lo que dure la misión, así como del robot europeo JUICE que está en camino y que llegará a Júpiter en 2031, para refinar todavía más el modelo del planeta gigante. Ahora conocemos miles de planetas gigantes, alrededor de otras estrellas, y hay que tener buenos modelos para entenderlos.

  

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El paper es: Eli Galanti et al. The size and shape of Jupiter, Nature Astronomy (2026). En el mismo número tienen un sumario: The shape of Jupiter is redefined by radio-occultation data from the Juno spacecraft. Nature Astronomy guarda sus artículos tras una estricta barrera paga, pero los encontré para descargar en la web del autor senior, Yohai Kaspi. De ellos son casi todas las figuras que usé. Salvo la de Júpiter visto por el telescopio Hubble.

En uno de los gráficos que puse, es curioso notar que el hemisferio sur parece más "gordito" que el norte. Veremos si esto se sostiene en futuras mediciones. 

También está en camino a Júpiter el Europa Clipper, de la NASA, pero los autores no lo mencionan. 

Las ocultaciones de Galileo sí se usaron para caracterizar la ionósfera de Júpiter (acá).

El baile del chorro

The X-ray is her siren song, my ship cannot resist her long
Nearer to my deadly goal, until the black hole gains control
Spinning, whirling, still descending, like a spiral sea, unending!
Rush, Cygnus X-1 Book I: The voyage (A Farewell to Kings) 

En la década de 1960, coincidente con el descubrimiento de los pulsars, se descubrieron fuentes de rayos X en el cielo. Su ubicación, cercana al plano de la Vía Láctea, sugería que se trataba de objetos en nuestra galaxia. En algunos casos, los rayos X coincidían con una fuente de luz visible que, invariablemente, era un sistema estelar binario. Los astrofísicos sabían que, en un sistema binario, cuando una de las estrellas se convierte en gigante roja, era posible que su superficie llenara el llamado lóbulo de Roche, donde la gravedad de la compañera le gana a la estrella principal, y empieza a transferirse materia de una estrella a la otra a través del punto de Lagrange L1:

Un cálculo sencillo (ver Astrofísica para físicos curiosos, Sección 6.5) permite mostrar que, si la segunda estrella es un objeto compacto (como una estrella de neutrones), la energía gravitatoria que se convierte en energía cinética durante la caída es inmensa, pudiendo alcanzar una fracción significativa de \(mc^2\). El material que cae no lo hace exactamente de manera radial, sino un poquito de costado, y se forma un disco orbital, llamado disco de acreción. El gas en el disco se mueve en órbitas aproximadamante keplerianas, de manera que, como en el sistema solar, las que se encuentran más cerca del centro se mueven más rápido que las de más afuera. Esto produce un arrastre viscoso entre órbitas contiguas, que hace que se pierda energía en forma de radiación. El cálculo predice una luminosidad enorme, mucho mayor que la del Sol, y una temperatura también mayor, de decenas de millones de grados. Todo esto sin reacciones nucleares, simplemente por conversión de energía gravitatoria en radiación. La ley de Planck sugiere que el máximo de energía se emite en la longitud de onda de 1 nm (un nanómetro). Correspondiente, precisamente, a los rayos X.

Como se trata de sistemas binarios, se puede calcular la masa de la estrella y su compañera compacta. Casi todas ellas resultan de alrededor de una masa solar, o un poquito más, lo cual es compatible con las estrellas de neutrones. Pero algunas tienen más de 3 masas solares. La más estudiada de estas es Cygnus X-1, con 15 masas solares. Estos objetos no pueden ser estrellas de neutrones, ya que la presión de degeneración de los neutrones es insuficiente para equilibrar la fuerza gravitatoria. Y no conocemos ninguna otra fuerza capaz de hacerlo, así que estos objetos necesariamente deben ser agujeros negros: una región del espacio-tiempo tan compacta que la gravedad impide el escape de absolutamente todo, materia o radiación. Naturalmente, no se los puede ver directamente. Pero siguen ejerciendo su efecto gravitacional, y en sistemas binarios se convierten en intensas fuentes de radiación, por el mecanismo que acabamos de describir. Se trata de agujeros negros demasiado pequeños como para observar directamente su efecto en la luz que los circunda, como se ha logrado hacer con los agujeros negros supermasivos en el centro de la Vía Láctea y de la galaxia M87.

La dinámica de los discos de acreción es muy complicada: se trata de un fluido magnético muy energético, de manera que su descripción requiere una de las ramas más complicadas de la física, la magnetohidrodinámica relativista. Uno de los fenómenos característicos es la formación de dos chorros (jets) de materia que surgen de la región más interior del disco, y que se llevan parte de la energía. ¿Cuánta? Un diego, pero es difícil de calcular, y también de medir. Recientemente, un equipo de radioastrónomos han logrado medirlo mediante la observación directa del chorro. Como muestra la ilustración que puse arriba, el viento estelar de la estrella normal empuja el doble chorro, curvándolo. A medida que el sistema gira, se debería ver el chorro bailando alrededor de la fuente central. Esto es precisamente lo que lograron ver unos radioastrónomos (principalmente australianos), usando dos grandes sistemas de radiotelescopios que observan de manera coordinada desde miles de kilómetros de distancia, usando 18 años de mediciones:

Es una rotación sutil, pero permite calcular la liberación instantánea de energía, en lugar de promedios  temporales, y mejorar los modelos de cómo funcionan los jets, ya sea estos o los gigantescos de las galaxias activas y los quasars. 

Los jets de los agujeros negros supermasivos jugaron un rol importante en la conformación del universo temprano: en el crecimiento de las galaxias, en la formación de las primeras estrellas, en la reionización del medio intergaláctico, de manera que este tipo de técnicas terminarán conectando la física de estos sistemas binarios con la evolución del universo.

 

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El paper es: Prabu et al., A jet bent by a stellar wind in the black hole X-ray binary Cygnus X-1, Nature Astronomy (2025).

Los dos sistemas de radiotelescopios que usaron son el Very Long Baseline Array (VLBA) y la European Very Long Baseline Interferometry Network (EVN).