El Enterprise y el quasar

Captain's log, stardate 2821.5. En route to Marcus III with a cargo of medical supplies. 

Our course leads us past Murasaki 312, a quasar-like formation. 

Big, undefined: priceless oportunity for scientific investigation.

Capt. James T. Kirk, The Galileo Seven, Star Trek

Fue en el capítulo 16 de la primera temporada de la serie original, emitida en 1967. Desde el puente del Enterprise el quasar (ya saben: cuéisar) se veía así.

Los primeros dos quasars, 3C 48 y 3C 273, fueron descubiertos a fines de los años 50 durante un relevamiento de radio de todo el cielo usando el gran radiotelescopio de Jodrell Bank, en Inglaterra, que fue durante muchas décadas el mayor radiotelescopio orientable del mundo (la designación 3C corresponde al catálogo Third Cambridge que compilaron, publicado en 1959). Eran fuentes de radio muy compactas, similares a estrellas, pero sin una contraparte visible. Les empezaron a decir quasi stellar radio sources, QSRS, que si uno lo dice rápido se convierte en quasars.

En 1960 Allan Sandage de Monte Palomar (uno de los astrónomos más influyentes del siglo XX), junto con el radioastrónomo Thomas Matthews, lograron identificar en la posición de 3C 48 un objeto visible, de magnitud 16 y de aspecto estelar rodeado de una tenue nebulosidad. Su espectro mostraba líneas de emisión anchas en longitudes de onda inusuales. En 1962 Maarten Schmidt de Caltech, también con Matthews, logró un espectro de 3C 273, también inusual pero con las líneas en otras posiciones. Schmidt se pasó un año mirando el espectro, hasta que se dio cuenta de que cuatro de las líneas parecían ser de la serie de Balmer del hidrógeno, las β, γ, δ y ε, pero estiradas un 16%. Consultó con John Oke de Mount Wilson, que había hecho un espectro infrarrojo, y encontraron la línea roja α (la famosa H-alpha, para los aficionados) escondida en el infrarrojo, también corrida 16%. Cuando buscaron algo similar en 3C 273 encontraron el espectro del hidrógeno corrido un 37%. Semejantes corrimientos al rojo delataban velocidades de decenas de miles de kilómetros por segundo, algo imposible para cualquier estrella de la galaxia. Todos estos resultados se publicaron simultáneamente en Nature en 1963, en cuatro papers consecutivos.

Un corrimiento al rojo tan intenso se podría producir de tres maneras. Podía ser un efecto relativista en objetos muy compactos, con una gravedad muy intensa. Pero el ancho de la líneas espectrales no era compatible con esta explicación. O podían tener una velocidad enorme (más del 15% de la velocidad de la luz, impensable a menos que fueran flotas alienígenas con el pedal warp a fondo). La explicación más lógica era que fuesen extragalácticos, extremadamente lejanos, y que su redshift fuera cosmológico, debido a la expansión del universo (no tan aceptada hace 60 años como hoy). El principal inconveniente era su brillo óptico: a la distancia necesaria correspondía a cientos de veces la luminosidad de una galaxia grande.

Para 1965 se habían publicado 9 redshifts de quasars, comparables a los de los primeros dos. También en 1965 Sandage anunció el descubrimiento de una población de objetos parecidos a quasars, pero silenciosos en radio, con corrimientos al rojo aun mayores. ¿Qué eran estos objetos tan raros? En 1967 un artículo en Nature del Astrónomo Real Sir Francis Graham-Smith empezaba así:

Quasars create more problems than they solve. How can such small star-like objects emit such large quantities of energy? Why do their spectra show such anomalously high red-shifts? How are they related to radiosources and visible stars?

¡Quasars! Irresistibles, para Mr. Spock.

Un descubrimiento crucial llegó con los primeros telescopios de rayos X (el primer telescopio de rayos-X se llamó Uhuru, un nombre sorprendentemente similar al de la Teniente Uhura, la especialista en comunicaciones del Enterprise). Las observaciones de rayos X mostraban variaciones de intensidad en el término de días. Las galaxias no hacen eso, no pueden hacerlo. Fueran lo que fuesen, los quasars tenían que ser objetos pequeños, no más grandes que lo que la luz recorre en un día, o sea del tamaño del sistema solar. De otro modo no se podría ver una variación coherente de todo el objeto; unas partes se harían más brillantes que otras, y sus efectos se borronearían y cancelarían. A partir de la década del 70 se consolidó la imagen que tenemos ahora de los quasars como objetos complejos, formados por un disco de materia caliente, muy polvoriento, alrededor de un agujero negro gigante, con dos chorros de materia y radiación muy energéticas surgiendo en forma polar. Algo así:

Vistos desde distintas orientaciones estos objetos, gigantes con respecto a las estrellas pero pequeñísimos comparados con las galaxias que los alojan, explican los distintos tipos de quasars, blazars, BL Lac's, OVV's y todo tipo de AGN's (núcleos galácticos activos). En la versión remasterizada de Star Trek trataron de modernizar el aspecto de Murasaki 312, usando algo que parece sospechosamente la Gran Nebulosa de Orión con un agujero negro activo dentro:

En el capítulo entran al quasar 6 tripulantes a bordo del Galileo Seven: tres buzos azules, dos rojos y dos amarillos. ¿Quénes mueren? Fascinante.

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El espectro de 3C 273 está tomado de este interesante artículo: Hazard et al, The sequence of events that led to the 1963 publications in Nature of 3C 273, the first quasar and the first extragalactic radio jet, Publications of the Astronomical Society of Australia 35:e006 (2018).

Las imágenes de Star Trek son probablemente de ViacomCBS, aunque andá a saber. La versión artística de un quasar, ay, no me acuerdo de quién es. Para mí que es del ESO.

El chorro de M87

Vos nacistes pa' chorro como yo pa' hacer versos.

Celedonio Flores, Chorro

Si estuviera a mil millones de años luz estaría catalogada como quasar (sean cool y digan cuéisar). O como objeto BL Lac: fuente de radio variable y polarizada, intensa radiación no térmica en todo el espectro... Pero está aquí nomás, la vemos con binoculares, a 53 millones de años luz de nosotros en el cúmulo de galaxias de Virgo. Así que Messier 87 es simplemente una galaxia. Bueno, es una galaxia extraordinaria: la más grande en nuestra región del universo, y aunque su tamaño es apenas mayor que el de la Vía Láctea, su masa es cientos de veces mayor. Tiene unos 12 mil cúmulos globulares, a comparar con los 150 de la Vía Láctea.

Pero la característica más notable de M87 es que en su núcleo tiene un agujero negro gigantesco, 4000 millones de veces más pesado que el Sol (mil veces mayor que el de la Vía Láctea, Sgr A*). Recientemente el Event Horizon Telescope logró fotografiarlo, o más precisamente fotografiar la materia supercaliente a su alrededor, una imagen que ingresó inmediatamente al Hall de la Fama de la Astronomía.

También hemos comentado que estas galaxias tienen enormes chorros relativistas de materia superenergética, moviéndose al 99% de la velocidad de la luz o más, que surgen de la interacción entre el agujero negro central (y su campo magnético) y la materia a su alrededor. En nuestra comprensión actual de su funcionamiento, la inclinación de estos chorros hacia nosotros explica los distintos tipos: quasars, blazars, BL Lac's, OVV's, FSRQ's, AGN's... El chorro de M87 apunta casi hacia nosotros, pero no exactamente. Fue descubierto en 1918 por Heber D. Curtis en el Observatorio Lick: "A curious straight ray... apparently connected with the nucleus by a thin line of matter." Se extiende 20 segundos de arco desde el centro de la galaxia (que mide 20 veces más), así que no sólo es muy pequeño, sino que está superpuesto a la parte más brillante de la galaxia. Existe un solo reporte de una observación visual antes de los 90s: Otto Struve lo vio con el telescopio de 100 pulgadas de Mt. Wilson (claro, aluminizado por Gaviola). No hay chance de verlo con mi telescopio de 20 cm. ¿Pero fotografiarlo? ¡Aaaahhh!

La resolución de mi cámara en el foco primario de mi telescopio es de 0.7" por pixel, así que el chorro debería ser perfectamente fotografiable. Desde el año pasado, cuando M87 saltó a la fama mundial, estuve intentando hacerlo. Lo más difícil es que queda enmascarado por el brillo de la galaxia, así que necesita una exposición corta. Pero no tanto, porque la magnitud del chorro es aproximadamente 15, mucho más tenue que el núcleo. Después de varios intentos, logré hacerlo desde el balcón de casa durante la cuarentena del COVID-19, en mi última chance de la temporada, durante la luna nueva de mayo:

¡Yupi! ¡Fotografié el chorro relativista! La imagen abarca como una Luna de ancho, medio grado. Reduje la resolución para ponerla en esta columna, pero puse un detalle al 100% para que se vea mejor (igual se ve en la imagen ancha, si se fijan, ¡descárguenla!). Se distingue claramente la parte más brillante del chorro, e incluso un poco más si uno tiene el ojo entrenado. El otro detalle muestra una foto a la misma escala tomada por el Telescopio Espacial Hubble (visual + IR). Vale la pena decir también que la galaxia es mucho más grande que lo que parece, ya que en estas fotos de 10 segundos sólo se ve el núcleo brillante. Calibrando la imagen en Cartes du Ciel se puede apreciar la escala de la galaxia entera (en rojo).

Debo decir que busqué otras fotos de aficionados y encontré algunas notables, especialmente ésta hecha por Astrojedi con un telescopio similar al mío. No sé por qué le quedó tan buena: tal vez una mejor cámara, o un sitio oscuro (yo fotografié desde el centro de Bariloche), o mejor seeing (que Bariloche, seguro), o mejor foco... O usó la Fuerza.

El chorro de M87 se extiende hacia el noroeste del centro de la galaxia, y aunque mide 5000 años luz de largo es pequeño comparado con la galaxia, y mucho más comparado con la distancia entre las galaxias del cúmulo. Sin embargo, curiosamente, apunta exactamente hacia la galaxia grande más cercana, M86. ¿Será una casualidad? Tal vez no, tal vez sea parte de un fenómeno dinámico que involucra al cúmulo de galaxias en su conjunto. Si nos fijamos solamente en las galaxias más grandes del cúmulo (las del catálogo Messier), vemos que están bastante alineadas en esa misma dirección. Correspondiendo a este eje principal del cúmulo tal vez hay campos magnéticos alineados, y tal vez haya una realimentación entre estos y el flujo de plasma que forma el chorro. No sé. Se los dejo para que lo piensen.

Hermano chorro, yo también

sé del escruche y de la lanza...

la vida es dura, amarga y cansa

sin tovén.

Carlos de la Púa, Hermano chorro 

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La imagen del agujero negro de M87 es del Event Horizon Telescope. La imagen de M87 y su chorro (inset de la mía) es de NASA/ESA/STScI/HST. La imagen de M87 y su chorro hecha por Astrojedi está discutida en Cloudy Nights. Las cartas están hechas con Cartes du Ciel.

Denis Martínez, del Observatorio Tharsis en Cipoletti, compartió esta foto justo la misma semana que yo hice la mía. ¡Se pone de moda M87!

Al día siguiente de mi charla sobre el eclipse de Eddington me escribió Horacio Medina, que estuvo en la audiencia desde Tucumán, y me mandó la que hicieron con su hermano Eduardo. Está buenísima, vean el detalle del blob más brillante del chorro. El telescopio de los changos Medina también es de 20 cm, diseño Newtoniano F/5, con una cámara especializada muy popular. Recomiendo que no se pierdan el resto de sus fotos, son extraordinarias.
 

Las otras imágenes son mías, pero las presto.

Ah, y para los lectores de otras latitudes: en Argentina, un chorro es un ladrón.

Las casilunas de la Tierra

Cuando comenté hace poco acerca de la nueva lunita de la Tierra, un asteroide capturado por nuestro planeta de manera transitoria, una lectora preguntó si se trataba de Cruithne. No, pero está relacionado, así que ha llegado la hora de hablar de Cruithne.

Cruithne es un asteroide cercano a la Tierra, grandecito, cuya órbita es muy peculiar. A pesar de que la forma de su órbita alrededor del Sol es muy distinta de la de la Tierra, tarda también 1 año en recorrerla. Se dice que está en una resonancia 1:1 con la Tierra. Probablemente tampoco sea una situación estacionaria, pero se sospecha que es mucho más estable que la de la lunita transitoria 2020 CD3.

Hice una peliculita mostrando el movimiento de Cruithne desde dos puntos de vista: en el sistema de referencia en el cual la Tierra orbita (similar al gif de aquí al lado), y en el que acompaña a la Tierra en su movimiento alrededor del Sol. Después de Cruithne muestro también otros asteroides con órbitas parecidas:

Como el período orbital de Cruithne es en realidad un poquito menos que 1 año, ese riñón que le vemos recorrer no se cierra, y poco a poco se va moviendo alrededor del Sol. A lo largo de cientos de años llegará a acercarse a la Tierra "por detrás". Habrá un intercambio de energía, Cruithne se frenará un poquito y la Tierra empezará a adelantarse. Así que a lo largo del tiempo el asteroide describirá una especie de herradura, que es el nombre que tienen estas órbitas. Un caso parecido, dos lunas en herraduras mutuas, es el de Jano y Epimetheo, satélites de Saturno, que ya conté una vez.

Alguien habrá notado que estas órbitas en herradura rodean los puntos de Lagrange L₄, L₃ y L₅, que ya hemos comentado en ocasión de los asteroides troyanos. El asteroide 2010 TK7, que muestro en el video a continuación de Cruithne, tiene una órbita parecida pero que sólo rodea el punto L₄. Así son las órbitas de los troyanos, ya que nunca los encontramos exactamente en los puntos L₄ o L₅. Se llaman órbitas  renacuajo (tadpole). 2010 TK7 es el único troyano conocido de la Tierra.

Finalmente, el video muestra tres asteroides en órbitas más raras todavía. Son parecidas a la de Cruithne, pero vistas desde la perspectiva de la Tierra el riñón que describen parece rodearnos, como si fueran satélites de la Tierra. Por supuesto que no lo son; son asteroides en órbitas muy excéntricas, que los llevan desde afuera a adentro de la órbita de la Tierra. También están en resonancia 1:1, y parecen dar vueltas a nuestro alrededor (un movimiento llamado libración). Estos asteroides se llaman cuasisatélites.

Curiosamente, la existencia de todas estas órbitas se había demostrado teóricamente mucho antes de que, a fines del siglo pasado, empezaran a descubrirse munditos que efectivamente las recorren. Conocemos un puñado, pero seguramente hay muchos más. Todos ellos pasan cerca de la Tierra, son muy fáciles de acceder (incluso más fácil que la Luna), y son buenos candidatos a ser visitados, o incluso colonizados, en algún futuro post-coronavirus.

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El gif de Cruithne es de Wikipedia, usuario Jecowa (CC BY-SA), así como la figura de las órbitas en herradura, que es del usuario Jrknti (CC BY-SA), y la de la herradura que muestra los puntos de Lagrange (Public Domain). El video lo hice con Celestia.

Después de que Lagrange descubriera los co-orbitales en L₄ y L₅, y Poincaré el caos en el problema de 3 cuerpos, las órbitas herradura fueron descriptas por Ernest Brown en 1911, en un larguísimo paper del Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. En el mismo volumen Willem de Sitter publica un trabajo pionero (más largo aun) aplicando la Teoría de la Relatividad al problema gravitatorio (calcula incluso una precesión anómala, y muchas cosas más), y usa la palabra "general" para referirse al sistema de referencia no inercial, que tal vez haya inspirado a Einstein para designar su teoría, para la cual faltaban años. Es interesante ver que Einstein no era el único tratando de reconciliar la relatividad especial con la gravedad. A propósito, ¡el paper de de Sitter también empieza citando el problema de tres cuerpos de Poincaré!

Al fondo del blazar

Hace poco conté sobre el extraordinario quasar (se dice cuéisar) PKS 0405-123, y mi exitosa fotografía, que para mí estableció un récord a 7 mil millones de años luz. Coincidentemente se publicó un artículo sobre otro quasar famoso, 3C 279. También es un blazar (se dice bléizar), que son quasars que apuntan con su chorro de materia y energía casi exactamente hacia nosotros. 3C 279 está un poco más cerca, a 5 mil millones de años luz, pero es mucho más tenue visualmente. Es famoso porque su señal fluctúa muy rápidamente, especialmente en radio, en una escala de minutos (es un OVV, ya que estamos digan ouviví). Y como está en la constelación de Virgo, como M87, el Event Horizon Telescope aprovechó para observarlo durante la campaña de observación que en 2017 produjo la primera imagen del agujero negro supermasivo en su centro, que ya hemos comentado.

3C 279, como M87 y como todos los quasars, es una galaxia activa: su agujero negro central está rodeado de un gran disco supercaliente de materia, que produce grandes cantidades de energía en todo el espectro electromagnético. De este disco surge un gigante chorro de materia moviéndose a casi la velocidad de la luz, que se puede ver con radiotelescopios, y que el EHT logró resolver de manera exquisita, probablemente hasta el disco que rodea al agujero negro.

En la imagen se ve que el chorro, que surge de la parte más brillante arriba a la izquierda, tiene una estructura de partes más y menos brillantes. En los sucesivos zooms que se muestran se ven detalles cada vez más pequeños, y en la imagen de la derecha, que es la de más resolución, se ve que la región brillante está elongada en una dirección distinta que la del resto del chorro. ¿Por qué? Los autores del trabajo especulan acerca de varias posibilidades. Por un lado, parece que lo que estamos viendo es en parte el disco de acreción, y en parte la base del chorro. Por otro lado, resulta que 3C 279 está apuntando su chorro muy exactamente hacia nosotros (la característica de un blazar), con un ángulo de apenas 2° (a 5000 millones de años luz, es una buena puntería). Así que lo vemos con una fuerte perspectiva, y lo que nos parece un brusco cambio de dirección puede ser en realidad un quiebre suave. No están seguros, o no se ponen de acuerdo porque son muchos:

La resolución de esta imagen es de unos extraordinarios 20 microsegundos de arco, comparable a la de Gaia, y es como ver una pelota de tenis en la Luna. A la distancia de 3C 279 esta resolución equivale a un poco menos de medio año luz, que son unas 800 veces el tamaño del agujero negro, cuya masa es de casi 1000 millones de masas solares.

Tan sorprendente como la foto es el hecho de que, a lo largo de la semana que duró la observación, esta enorme estructura se movió. Es interesante verlo en esta brevísima película, donde se aprecian bien las distintas estructuras, y al final se muestra el movimiento del jet:

La observación permite calcular que esa parte del chorro se mueve al 99,5% de la velocidad de la luz (¡casi el mismo porcentaje de coronavirus que mata el Lysoform!). Si uno lo lee en el paper dice que se mueve a 15 o 20 veces la velocidad de la luz, lo cual puede dejar perplejo a más de un relativista aficionado. Pero se trata de velocidades aparentes, de nuevo debidas a la perspectiva, que pueden resultar mayores que la de la luz. Tal vez algún día lo cuente con más detalle.

Las observaciones del Event Horizon Telescope recién están empezando. Ya nos han dado la imagen del agujero negro central de M87 y la del jet del blazar 3C 279, y cualquier día de estos nos mostrarán la de Sgr A*. Imagino un futuro fascinante para este telescopio del tamaño del planeta.

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El paper es Kim et al., Event Horizon Telescope imaging of the archetypal blazar 3C 279 at an extreme 20 microarcsecond resolution, Astronomy and Astrophysics (2020). https://doi.org/10.1051/0004-6361/202037493. La nota de prensa está aquí.

La representación artística del quasar es de ESO/M. Kornmesser (http://www.eso.org/public/images/eso1122a/) CC-BY.