La persistencia de la sombra

El Event Horizon Telescope nos mostró hace 5 años su primer resultado: el agujero negro que ocupa el centro de la galaxia gigante M87. Al año siguiente volvió a observarlo, y la resolución es ligeramente mejor, ya que se incorporó al sistema un radiotelescopio en Groenlandia, así como más frecuencias de radio en la observación. Recién ahora se dio a conocer el resutado, que es similar y distinto a la vez:

Recordemos que lo que muestran estas imágenes no es el agujero negro en sí mismo, sino la silueta que produce la distorsión de la luz (ondas de radio, que no deja de ser luz) que se produce a su alrededor, en un disco de materia supercaliente que lo orbita. Esta distorsión es incluso mayor que el más familar efecto de lente gravitacional, que afecta la imagen de las galaxias que vemos detrás de otras galaxias. La presencia del agujero negro, con su intensa gravedad, retuerce muchos de esos rayos de luz (algunos incluso llegan a dar varias vueltas) dejando en el medio una silueta oscura, una "sombra", la del título de esta nota y del paper recién publicado. 

La nueva imagen es similar a la tomada un año antes: misma forma de anillo asimétrico, mismo tamaño, misma relación de contraste entre la parte oscura y la brillante. Estas magnitudes son una propiedad del objeto observado (calculables con la Relatividad General), y su persistencia apunta a que el EHT está funcionando bien. Por otro lado, en la imagen de 2017 la luz es más intensa hacia el sur (abajo) del anillo, mientras que en la de 2018 el punto brillante parece haber girado unos 30 grados en sentido antihorario. En 2021 ya habían publicado un resultado de menor calidad (que comentamos aquí), usando imágenes de prueba tomadas antes de 2017, que mostraban que la asimetría parecía estar girando en este mismo sentido. En el paper actual comentan muy brevemente aquel resultado, y anticipan que un trabajo posterior va a discutir lo que significa desde el punto de vista del movimiento de la materia en el disco brillante. 

Voy a aprovechar para mostrar otra imagen del EHT que me sorprendió hace algún tiempo, y que me había quedado traspapelada. Ya sabemos que los agujeros negros de M87 y de la Vía Láctea son los que, en nuestro cielo, aparecen más grandes. Por ahora son los únicos que podemos ver con el EHT. ¡Pero no es lo único que se puede observar! La galaxia Centaurus A tiene un agujero negro muy activo, como M87, que produce grandes chorros de materia y energía, que son más grandes que la galaxia misma:

El chorro es la fina estructura rosada (en radio) superpuesta a esta imagen de luz visible. El EHT ha hecho una observación extraordinaria de la estructura central del chorro, donde surge del disco de materia alrededor del agujero negro:

¡Tiene cuatro patas! Por un momento pareciera que fuesen cuatro chorros. Pero no: son dos, uno hacia cada polo del disco de materia supercaliente donde se forma y se organiza, por acción de los campos magnéticos producidos tanto por el agujero negro como por el mismo plasma en órbita. Lo que muestra esta imagen es que en realidad el chorro es hueco, como si fuera un cono finito y medio transparente. En una imagen del chorro alrededor de M87, hecha con el también enorme VLBA, se ve algo similar (cuadro de la derecha, lo muestran rotado):

El EHT es el telescopio más grande del mundo. De hecho, es tan grande como el mundo. No hay dudas de que recién estamos viendo sus primeros pasos, y que la inevitable mejora de las técnicas en los próximos años van a permitir proezas de observación. 

 

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The Event Horizon Telescope Collaboration, The persistent shadow of the supermassive black hole of M 87 - I. Observations, calibration, imaging, and analysis, A&A, 681:A79 (2024). La imagen publicada en 2019 fue hecha con las observaciones de 2017. La publicada ahora corresponde a las observaciones de 2018. ¡El procesamiento de imágenes del EHT es más lento que el mío!

Janssen et al., Event Horizon Telescope observations of the jet launching and collimation in Centaurus A, Nature Astronomy 5:1017–1028 (2021).

M87: la película

Esta semana la NASA organizó la Black Hole Week, un evento mundial creado para celebrar uno de los objetos astronómicos que más captura la imaginación de la gente. Me enteré tarde, pero aquí nos unimos hoy. La celebración coincide con el aniversario del anuncio, el 10 de abril de 2019, de la imagen lograda por el telescopio más grande del mundo (el Event Horizon Telescope, EHT) del agujero negro supermasivo que se encuentra en el centro de la galaxia gigante Messier 87, en el cúmulo de galaxias de Virgo. La imagen es una reconstrucción hecha a partir de registros simultáneos de ocho radiotelescopios distribuídos por todo el mundo, logrando una resolución espacial sin precedentes. Si alguien te dice que eso no es una foto, recordá que las que sacás con el celular también son una reconstrucción matemática de los datos recolectados por un sensor de radiación electromagnética. La diferencia está en detalles técnicos. Así que es una foto. Es ésta:

El disco oscuro central mide 20 microsegundos de arco (una pelo a mil kilómetros), y es un 25% mayor que el "verdadero" agujero, el espacio de donde no puede escapar la luz. El anillo brillante alrededor no viene del agujero negro, por supuesto, sino del material supercaliente que existe a su alrededor, ya que M87* (se dice "eme ochenta y siete asterisco", o em-eighty-seven-star) es como un quasar ("cuéisar"). Hasta podemos ver (y lo hemos fotografiado nosotros mismos) el chorro de materia y energía que surge de sus proximidades. El propio EHT ha fotografiado el movimiento del chorro que surge del quasar prototípico 3C 279, que también mostramos en 2020.

Cuando comentamos el evento en 2019 dijimos que las observaciones correspondían a 4 días distintos en 2017, y que también se había registrado la polarización de la radiación para reconstruir el campo magnético, que en estos objetos juega un rol organizando el flujo de materia y energía. Y los dos hechos han dado lugar a nuevos descubrimientos. 

En septiembre de 2020, en plena pandemia de covid-19, la foto de M87* se convirtió en una minipelícula de pocos fotogramas, que muestra el movimiento del material alrededor del agujero negro:

La imagen de alta resolución de 2017 (usando el EHT completo) se ha usado como patrón para reconstruir las imágenes tomadas, de manera preliminar, con menos componentes en años anteriores. Obviamente, el resultado es conjetural, y depende de una cantidad de suposiciones acerca del objeto (su momento angular, por ejemplo), pero sirve de muestra de las posibilidades del instrumento. En el futuro podremos ver el verdadero movimiento del anillo de materia en escala de días. 

Tan extraordinaria como esta película es la reconstrucción del campo magnético, publicada hace pocos días. La imagen de portada es preciosa, artística pero basada en las verdaderas observaciones. No es en absoluto comparable a las fotos de arriba: el EHT no tiene la resolución suficiente para obtener esta imagen. Los filamentos que vemos en la parte brillante se supone que son chorros de plasma en el disco de acreción del agujero negro. El plasma es materia eléctrica cuyo movimiento produce y a la vez obedece a los campos magnéticos, cuya dirección e intensidad puede medirse en la polarización de las ondas de radio observadas. La verdadera imagen es mucho menos atractiva, pero es de destacar que se puede observar el movimiento en los cuatro días de observación de 2017:

La medición, indirectamente, permitió calcular la tasa a la cual el material del disco está cayendo dentro del agujero negro. No parece mucho, pero no sé cuánto me esperaba: son unos dos Júpiters por año, o un par de Tierras por día. Gulp.

El campo magnético observado es decepcionantemente tenue: entre 1 y 30 Gauss, no mucho mayor que el campo magnético en la superficie terrestre. Pero claro, extendido por un espacio inmenso, es una energía enorme.

Seguimos esperando las imágenes del agujero negro supermasivo que se encuentra en el centro de nuestra propia galaxia. Es muchísimo más chico que el de M87, de manera que aunque está mucho más cerca, es más duro de pelar. Pero el EHT tiene sin duda un futuro prometedor y veremos cosas fascinantes en el futuro cercano.

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Las imágenes son de los papers que cuentan los descubrimientos:

Wielgus et al, Monitoring the morphology of M87* in 2009–2017 with the Event Horizon Telescope, ApJ 901:67 (2020).

The Event Horizon Telescope Collaboration et al., First M87 Event Horizon Telescope results. VII. Polarization of the ring, ApJL 910:L12 (202).

The Event Horizon Telescope Collaboration et al., First M87 Event Horizon Telescope results. VIII. Magnetic field structure near the event horizon, ApJL 910:L13 (2021).

Virgo virtual

Rhys Taylor es un astrofísico que trabaja observando galaxias en la banda de 21 cm, algo que él define como "mayormente, observar estática". También escribe una serie de blogs que leo habitualmente: Physicists of the Caribbean (porque hizo un postdoc en Arecibo), y sus spin-offs Little Physicists and Decoherency. Me encanta su estilo, su humor, y las cosas que cuenta (si bien es muy verborrágico, y sus notas son larguísimas, algo que yo aprendí a evitar). Allí cuenta y muestra cuestiones astronómicas, muchas veces ilustradas con la maestría de su segunda pasión, las animaciones CGI, hechas en la computadora.

Hace unos meses, justo cuando yo estaba escribiendo sobre el cúmulo de Virgo y sus galaxias, Rhys publicó una visualización preciosa, Virgo Virtual Visuals. Esta es una imagen.

No es una foto, como la mía, sino una visualización basada en las imágenes de las galaxias hechas como parte del proyecto SDSS. Rhys recortó cada galaxia del cúmulo, limpió y procesó las imágenes, y las acomodó en un mapa que parece una foto. Pero no sólo esto: usando los mejores datos disponibles de la distancia a cada galaxia individual, su mapa es tridimensional. Es mucho mejor que una foto, ya que se puede navegar a través del cúmulo como nunca podremos hacerlo en la vida real. Preparó un videíto con un vuelo (pónganlo en full screen):

¿No es una preciosidad? Traten de identificar las galaxias principales del cúmulo, que hemos comentado aquí, y seguirlas durante el vuelo: M87, M49, M86 y la cadena de Markarian...

Pero esto no es todo. Aburrido durante la cuarentena del Covid-19 en Praga (ahora trabaja en Praga, habiendo escapado de las selvas caribeñas), decidió incorporar interactividad a su visualización. Y lo hizo explotando las posibilidades 3D de la internet moderna, ya que la visualización entera es un archivo html que se puede usar dentro del propio navegador. Es un archivo medio gigante, de 90MB, así que conviene descargarlo y abrirlo localmente, a menos que tengas una conexión súper rápida (que no es el caso en Bariloche). El enlace es éste: Virgo Virtual Visuals.

Tiene unos poco controles bastante fáciles de usar, que permiten acercarse, alejarse y moverse alrededor del cúmulo. Y una opciones (un poco intrusivas, para mi gusto) que permiten sacar o poner elementos: escala, etiquetas y tipos de galaxias.

A propósito de éstas, la nomenclatura no es obvia: ETG (early type galaxies, tipo temprano) y LTG (late type galaxies, tipo tardío). ¿Qué es esto del tipo temprano y tardío? ¿Acaso las galaxias evolucionan y envejecen? Sí y no. Las galaxias evolucionan, como hemos contado más de una vez, mediante colisiones y fusiones. Pero las denominaciones de tempranas y tardías no tienen nada que ver con esto. Es una de esas cosas que quedan fosilizadas en la tradición, y nunca se van del todo. Como el bang del Big Bang, pero en este caso ni siquiera es un nombre marketinero. El culpable, en este caso, es el mismísimo Edwin Hubble, de galáctica fama.

Básicamente, las ETG son galaxias suaves, sin estructura, tirando al cremita (los astrónomos dicen rojo, pero es un beigecito), compuestas mayormente por estrellas ancianas y se han quedado con poco gas interestelar. Las galaxias elípticas son de este tipo. Las LTG tienen todavía mucho gas, están activamente formando estrellas, lo cual les da un color mucho más azulado. Tienen además generalmente bastante estructura, típicamente espiral, como la Vía Láctea. Como se ve, ¡la denominación es más bien al revés! Aunque ni siquiera, porque la evolución de las galaxias no es tampoco así de lineal. Nadie sabe por qué Hubble inventó estos nombres, ya que él mismo, en una nota de pie de página, reconoce que no se refiere a la edad cronológica de las galaxias, sino a la complejidad de sus estructuras cuando se las acomoda en un diagrama que él inventó:

La visualización permite encender y apagar independientemente las galaxias tempranas y tardías, y apreciar una segregación morfológica: las galaxias tempranas tienden a amontonarse, mientras que las tardías están más dispersas, incluso formando la periferia del cúmulo. ¿Por qué pasa esto? La verdad que no se sabe, y es un tópico de intensa investigación entre los galactólogos. ¿Acaso las elípticas están en el fondo de un pozo gravitacional que ellas mismas crean, y la espirales caen hacia ellas? En el cúmulo de Virgo, las ETG forman un esqueleto alargado, que ya mencioné en aquella nota.

Otra cosa interesante que se puede visualizar con una herramienta como ésta es que Virgo no es un cúmulo monolítico, sino que está formado por varias componentes. También mencionamos este aspecto cuando revisamos mi foto. Las dos componentes principales son las que están dominadas por dos grandes galaxias tempranas, M87 y M49, pero hay otras, grandes y chicas, que pueden apreciarse bien moviéndose alrededor.

¿Cómo sabemos la distancia a estas galaxias, si están tan lejos que ningún método geométrico funciona? La clave la descubrió Hubble, quien cuando no estaba inventando terminologías absurdas era bastante genial. En la luz de cada galaxia está escondida su distancia, codificada como la velocidad a la que se aleja de nosotros arrastrada por la expansión del universo. Hoy en día se puede medir esta velocidad con enorme precisión, del orden de 1 km/s (¡a millones de años luz!). Pero superpuesto a este alejamiento está la velocidad propia de cada galaxia dentro de su cúmulo, y no es fácil desentrañar los dos efectos. Según Rhys, este es el punto más débil de la visualización, ya que la posición en la tercera dimensión es mucho más incierta que en las otras dos. Igual, me encantó.

Se acaba de publicar la decimosexta edición del catálogo SDSS, con un par de millones de galaxias y quasars, y estaría buenísimo poder usarlo para navegar interactivamente en 3D. No sé si Rhys hará algo, pero estaré atento. Pronto DESI llevará ese número a un par de decenas de millones, y nuevos telescopios espaciales como Euclid de la ESA y WFIRST de la NASA medirán redshifts a cientos de millones de galaxias. Antes del fin de la década la "tensión" en la constante de Hubble se habrá resuelto.

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Todas las imágenes son de Rhys Taylor, o generadas con la visualización de Rhys Taylor, quien gentilmente accedió a que difundiera aquí su trabajo. No se pierdan sus otras visualizaciones, en su página web.

E Hubble, Extra galactic nebulae, Astrophysical Journal 64:321-369 (1926). Allí dice que: "“Early” and “late,” in spite of their temporal connotations, appear to be the most convenient adjectives available for describing relative positions in the sequence." Ah, bueno.

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.

El cúmulo de Virgo

"Leo, a roaring Lion lies in the path [...]; we escape

and hail Virgo, the Virgin! that's our first love."

Herman Melville, Moby Dick

En el cielo hay objetos únicos, que capturan el interés tanto de astrónomos profesionales como aficionados: la Luna, Saturno, la nebulosa Homúnculo... Entre Denébola, la Cola del León, y Vindemiatrix la Vendimiadora, está el cúmulo de galaxias de Virgo.

Los ladrillos del universo no son las estrellas ni las galaxias, son los cúmulos de galaxias. Son grandes conglomerados de galaxias ligadas gravitacionalmente entre sí, dinámicos, alejándose unos de otros arrastrados por la expansión del universo. Forman una especie de espuma, como se ve en este relevamiento, donde los cúmulos son como paredes de burbujas que encierran grandes vacíos. En el universo, el cúmulo de Virgo es uno más. Pero en nuestro cielo es especial porque, a 50 millones de años luz, es el más cercano, y nuestro Grupo Local de galaxias siente su gravedad*. Para los astrónomos, es un laboratorio único con miles de galaxias de todos los tipos y luminosidades, todas a la misma distancia para conveniencia de su estudio. Para los aficionados, es el único lugar en el cielo donde pueden verse montones de galaxias, incluso varias en el mismo campo, con telescopios medianos de 15 o 20 cm. Es también una oportunidad única para fotografiarlas con equipos modestos.

Esta foto la tomé en la Star Party Valle Grande 2019, con la Canon T3i y teleobjetivo Canon de 100 mm F/2 stoppeado a F/2.8. Aquí no hay telescopio. La cámara, eso sí, está sobre una montura motorizada iOptron SkyTracker, que me permitió hacer exposiciones de 2 minutos. Con 23 de ellas compuse esta imagen de 46 minutos de exposición:

Las galaxias son tenues, y como el campo abarca 13 grados de ancho hay muchas estrellas de nuestra propia galaxia que confunden. Hice una versión en negativo para que las galaxias se vean mejor, y con etiquetas mostrando las más notables.

El cúmulo tiene varias partes. La principal, más grande y más masiva, es la que ocupa la parte inferior de mi imagen. Está dominada por la gigantesca elíptica M87, la galaxia de la famosa foto del agujero negro central del año pasado. La segunda componente es la que está al sur (arriba), dominada por la galaxia M49. Voy a mostrar algunos recortes al 100% de resolución, porque la foto del cúmulo completa está muy reducida en esta columna. Igual están achicadas, para verlas al 100% van a tener que clickearlas cada una.

Esta es la región central del cúmulo de Virgo, donde encontramos la enorme M87 y el notable grupo de galaxias alineadas llamado Cadena de Markarian:

En un telescopio mediano con un campo visual grande la Cadena de Markarian puede verse entera o casi, lo cual es una vista única y sobrecogedora. Podemos identificar algunas de ellas en una imagen en negativo:

Las más brillantes de la cadena son M84 y M86, dos galaxias elípticas que junto a las espirales vistas de canto NGC4388 y NGC4402 forman una linda cara, con una sola ceja, que en la foto general se ve invertida, y que aquí al lado acomodé mejor. La nariz también es una galaxia, la pequeña elíptica NGC4387. El centro de masa del cúmulo no se encuentra en la galaxia dominante M87, como suele creerse, sino en la mejilla derecha de esta carita. M86 no tiene un redshift sino un blueshift: se mueve hacia nosotros a más de 400 km por segundo, reflejando la dinámica interna del cúmulo.

La alineación de estas ocho o más galaxias es un efecto de perspectiva. M84 no está tan cerca de M86 como parece, sino bastante más atrás. La galaxia grande más cercana a M86 es la gigante M87. De hecho, puede verse que mientras M84 es bien redondita, M86 parece estirada, precisamente en la dirección de M87. Tiene también una larga cola de gas, producida por su movimiento supersónico en el medio intergaláctico. En negativo se ve mejor el estiramiento, en la dirección que indica la flecha:

Curiosamente el famoso jet relativista de M87, que surge de su agujero negro central, apunta exactamente hacia M86. ¿Cómo sabe el agujero negro dónde está M86? Es un misterio. O una casualidad. 

En el cúmulo hay muchos otros ejemplos de galaxias en interacción, en distintas etapas de colisión y fusión. Uno de los más famosos está también en la Cadena de Markarian: las galaxias NGC4435 y 4438, que forman los Ojos de Copeland por su aspecto en el telescopio. Aquí seleccioné cuatro lindos ejemplos:

NGC4302 y 4298 son una preciosura pero no tienen nombre propio, pobrecitas. Forman un par muy contrastante, una espiral de canto y una casi de frente. Busquen sus fotos del Telescopio Hubble, son impresionantes. Están en una linda región del cúmulo, donde encontramos otra gran espiral de frente, M99, y otra más, M98, de canto:

Otra de las grandes galaxias del cúmulo es NGC4216, una espiral con un núcleo muy brillante (o un disco poco brillante: es una galaxia anémica, con poco gas), más grande que nuestra vecina la galaxia de Andrómeda. Dos espirales chiquitas con la misma inclinación la acompañan:

Identifiqué una manchita insignificante cerca de NGC4216 como una galaxia enana en interacción con ella, en medio de una larga cola de gas visible en algunas fotos. Es como nuestras Nubes de Magallanes. Tiene magnitud 19, lo cual me deja boquiabierto, la lente tiene 58 mm de apertura.

M49 es la galaxia más brillante del cúmulo (magnitud 9.4), y es la que domina el subcúmulo B. Es una gran elíptica, en cuyo campo se encuentran dos lindas espirales, NGC4535 de frente (la Galaxia Perdida de Copeland, que increíblemente en mi foto muestra varias de sus regiones de formación estelar) y 4526 de canto:

En una tierra de nadie entre ambas componentes del cúmulo está M58, una gran espiral barrada (que muestra algo de su polvo en mi foto, aunque no se distinguen los brazos), y las Siamesas que ya mostré, y que son como deben haber sido las Antenas hace unos 100 millones de años:

Si tenés un telescopio mediano o grande, y acceso a un lugar oscuro, no dejes de observar el cúmulo de Virgo en las noches del otoño austral. Ahora es la mejor época: está directamente al Norte un par de horas antes de la medianoche. Recordá que cada una de sus miles de galaxias, que te parecerán manchitas de luz, tiene cientos de miles de millones de estrellas y planetas.

"We recognize how every object has a divine beauty in it; 

every object still verily is a window through which 

we may look into Infinitude itself."

Thomas Carlyle

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La imagen del sondeo de galaxias es del 2dF Galaxy Redshift Survey. Muestra dos rodajas del cielo, hasta una profundidad de 2500 millones de años luz, una de cada lado del plano de la Vía Láctea, como se ve en esta ilustración.

* El cúmulo de Virgo es la mayor componente del supercúmulo de Virgo, o supercúmulo local, que abarca un centenar de cúmulos y grupos (como nuestro Grupo Local). La estructura llamada Laniakea abarca varios supercúmulos vecinos pero, a diferencia de estos, no está ligada gravitacionalmente y se desarmará en el futuro. Estas estructuras, como se ve en el sondeo 2dF, no tienen bordes nítidos sino que forman un continuo de filamentos y burbujas.

El telescopio más grande del mundo

Los agujeros negros son misteriosos y fascinantes. En cierto sentido, son apenas un lugar, una geometría del espacio-tiempo, una solución de las ecuaciones de Einstein de la Relatividad General. Los soñamos durante un siglo, los calculamos y los visualizamos: lugares imposibles donde la luz se mueve en órbitas, donde el tiempo se detiene. En notas anteriores traté de derrumbar algunos de los mitos sobre los agujeros negros, en particular que son como aspiradoras astronómicas. Nada más lejos de la realidad: de hecho, el comportamiento de la materia que hay a su alrededor es precisamente lo que los convierte en objetos, ya no meras geometrías del espacio-tiempo. Sabemos, por el movimiento del gas y las estrellas que hay cerca del centro de las grandes galaxias, que casi todas ellas albergan un agujero negro gigante, millones o miles de millones de veces más pesado que el Sol. En el centro de la Vía Láctea tenemos uno de 4 millones de masas solares, y hemos visto cómo las estrellas que están en órbita a su alrededor se aceleran desaforadas cuando le dan la vuelta, y adelantan su periapis (¿perinigricon?) precisamente como dice la Relatividad General. Pero nunca vimos el agujero mismo. Hasta esta semana, cuando vimos el que hay en el centro de la galaxia M87:

¿Cómo hacer para ver un agujero negro? Es negro, negrísimo, pero su intensa gravedad distorsiona la imagen de sus alrededores produciendo una "sombra" característica de su horizonte de eventos. Las estrellas en órbita no bastan, no pasan suficientemente cerca. Hay que tratar de ver la materia que se encuentra más cerca, restos de estrellas y nubes destrozadas por la fuerza de marea del agujero negro, girando en órbitas apretadas y brillando de una manera característica. Claro que se necesita un telescopio enorme. ¿Como el Very Large Telescope, con sus 4 espejos de 8 metros? ¿O el Keck con su doble ojo de 10 metros? Más grande, como sólo los grandes radiotelescopios pueden ser. OK, ¿como el de Arecibo, de 300 metros, o su heredero chino de 500? Más. ¿Como los grandes arrays, el Very Large Array que hemos visto en películas, o el más moderno ALMA en Atacama? ¡Más! Se necesita un telescopio del tamaño del planeta Tierra. Chan.

En un logro tecnológico sin precedentes, los grandes radiotelescopios del mundo lograron en 2017 funcionar como un solo instrumento de 10 mil kilómetros de diámetro. Lo llaman el Event Horizon Telescope, obvio. Y lograron pispear los alrededores de agujero negro supermasivo ¡en el centro de la galaxia M87, a 55 millones de años luz de nosotros! Es del tamaño del sistema solar entero, pero a esa distancia es como observar un pelo a 1000 km. Dos años llevó la reconstrucción matemática de los datos recolectados durante la histórica observación, y es la que mostraron esta semana. Y no te dejes engañar por quienes dicen que esto no es una foto. Las que sacás con el celular también son una reconstrucción matemática de los datos recolectados por un sensor de radiación electromagnética. La diferencia está en detalles técnicos. Pero es una foto.

¿Cómo podemos entender esta imagen, que parece un anillo brillante fuera de foco? Es difícil decirlo brevemente, pero es más o menos así. El horizonte de eventos no es un objeto. Es apenas un lugar, una región del espacio. Las ecuaciones de la Relatividad General dicen que estos horizontes envuelven completamente un espacio del cual nada puede escapar. Por eso no podemos ver lo que hay dentro (y por eso se llama horizonte, no podemos ver más allá). Lo que sí podemos ver es la materia que tienen a su alrededor, materia supercaliente y por lo tanto muy brillante. Forma un disco grueso en órbita alrededor del agujero negro (el disco de acreción). El borde interior del disco es un poco más grande que el horizonte de eventos, y marca la región dentro de la cual no se puede permanecer en órbita. Esa es la luz que vemos en la imagen de hoy. Pero no directamente: el espacio y el tiempo están tan distorsionados en la proximidad del agujero negro, que la imagen del disco se deforma de una manera particular, perfectamente predecible por la Relatividad General. De hecho, uno de los aspectos extraordinarios de esta observación es que la imagen obtenida, con esas partes más brillantes y otras más oscuras, es precisamente lo que esperábamos obtener, a la luz de los cálculos y las capacidades del Event Horizon Telescope. En esta imagen rescaté las regiones más oscuras, que no se ven bien en la de arriba.

¿Podrán observar algo más? Por empezar, lo que vimos esta semana fueron cuatro observaciones, de cuatro días distintos. M87* (se dice "eme 87 estrella", "em eighty seven star" en inglés) será observado nuevamente, y seguramente revelará una dinámica que habrá que entender y explicar. Además, en la conferencia de prensa se mencionó que los datos contienen también la polarización de la radiación, que permitirá reconstruir el campo magnético, lo cual será crucial para entender mejor el origen del chorro de materia y energía que surge de este agujero negro (imagen de aquí a la derecha, mide 5000 años luz de largo), cuya formación todavía no se comprende del todo.

Por otro lado, se podrá observar el agujero negro Sgr A* ("sagitario A estrella"), el que tenemos en el centro de la Vía Láctea. De hecho, muchos creíamos que esta semana se mostraría éste, y nos sorprendimos al ver el de M87. Ambos son del mismo tamaño en el cielo, pero Sgr A*, al ser más pequeño, parece que tiene escalas de tiempo bastante más rápidas que las del gigante M87* y el procesamiento no terminó.

¿Y por qué se ve tan "fuera de foco"? ¿No lo pueden hacer mejor? Hay que decir que es tal como lo esperábamos, más allá de las ilustraciones de alta resolución (y bajo realismo) que mostraron los medios de prensa en los días previos. Pero con longitudes de onda menores, o con más radiotelescopios, se podrá mejorar la resolución y medir, por ejemplo, a qué velocidad rotan el agujero y el disco (hay una estimación en los papers, pero no es concluyente). Y también con telescopios fuera de la Tierra. ¿Se imaginan con un radiotelescopio en la Luna? ¡Aaaaaahhhh!

Los agujeros negros "normales", de masa estelar, que hay en la Vía Láctea, son demasiado pequeños aun para el Event Horizons Telescope. ¡Es un telescopio para observar sólo dos objetos! Pero estos agujeros negros alimentan algunos de los fenómenos más energéticos del universo, y parecen haber jugado un rol crucial en la formación de las galaxias. Nunca los habíamos visto. Estoy seguro de que es un enorme avance para la astrofísica en más de un área. Por otro lado, el logro tecnológico en sí mismo seguro que dará lugar a una multitud de avances en instrumentación, como suele ocurrir.

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La primera solución exacta de las ecuaciones de la Relatividad General que se encontró, apenas un mes después de la presentación de la teoría, es (sabemos hoy) la de un agujero negro que no rota. Fue una sorpresa para el propio Einstein: en el frente oriental de la Primera Guerra Mundial, Karl Schwarzschild descubrió la métrica que hoy lleva su nombre. Falleció poco después, de una enfermedad contraída durante ese duro invierno en las trincheras. Uno no puede dejar de imaginarse al tipo, tiritando, casco y fusil, reclinado contra un terraplén helado, con el paper de Einstein que alguien le habrá hecho llegar en una mano, y garabateando sus cálculos con la otra apoyado sobre el muslo, para mandárselos a Einstein antes de que cayera la próxima granada. "A pesar del fuego pesado de artillería", dice en su carta. El agujero negro observado en M87 obedece a otra solución, la llamada métrica de Kerr. Roy Kerr vive, tiene 84 años, es un matemático neocelandés, y se merece un aplauso. Y un premio.

Recomiendo este video de Veritasium para entender un poco más sobre cómo interpretar esta imagen de un agujero negro:



Y también esta simulación realista del disco de acreción preparada por el Observatorio Europeo Austral: