Los campos magnéticos del agujero negro en M87, al descubierto con una nueva luz

La colaboración del Telescopio del Horizonte de Sucesos (EHT, por sus siglas en inglés), de la que forma parte el Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC), ha publicado nuevos resultados que describen por primera vez cómo la luz procedente del borde del agujero negro supermasivo M87 gira en espiral al escapar de la intensa gravedad del agujero negro. Este fenómeno se conoce como polarización circular de la luz. La dirección en la que el campo eléctrico de la luz prefiere girar nos proporciona información valiosa sobre el campo magnético y los tipos de partículas que rodean el agujero negro.

El nuevo artículo, publicado hoy en Astrophysical Journal Letters, respalda los hallazgos previos del EHT que indican que el campo magnético cercano al agujero negro M87 es lo suficientemente intenso como para frenar la caída de materia hacia él. «La polarización circular era el último capítulo que nos faltaba para concluir el análisis de la luz en las primeras observaciones del agujero negro en M87 llevadas a cabo por el EHT, y de lejos, resultó ser la tarea más desafiante de todas», afirma Andrew Chael, investigador de la Gravity Initiative de la Universidad de Princeton, que coordinó el proyecto.

«Estos nuevos resultados nos proporcionan la certeza de que el campo magnético permea el gas caliente que cae en el agujero negro. Las observaciones pioneras del EHT nos están permitiendo responder a interrogantes sobre cómo los agujeros negros consumen materia y expulsan chorros más allá de sus galaxias anfitrionas», añade.

Representación de un disco de plasma que rodea al agujero negro supermasivo ubicado en el núcleo de la galaxia M87. Imagen: George Wong

En 2019, el EHT publicó su primera imagen de un anillo de plasma caliente cerca del horizonte de sucesos de M87.  Luego, en 2021, los científicos del EHT difundieron una imagen que mostraba las direcciones de oscilación de los campos eléctricos a lo largo de la imagen, un fenómeno conocido como polarización lineal.  Este hallazgo marcó la primera indicación de que los campos magnéticos en las cercanías del agujero negro estaban altamente organizados y poseían una intensidad significativa. Las nuevas mediciones de la polarización circular, que describen cómo los campos eléctricos de la luz giran en espiral, aportan evidencias aún más sólidas acerca de la presencia de estos campos magnéticos intensos y ordenados en las proximidades del agujero negro.

«La señal en polarización circular es cien veces más débil que los datos no polarizados que utilizamos para obtener la primera imagen de un agujero negro», explica Ioannis Myserlis, astrónomo del Instituto de Radioastronomía Milimétrica (IRAM). «Detectar esta señal débil en los datos fue comparable a intentar escuchar una conversación en medio del ruido ensordecedor de un martillo neumático.  Tuvimos que probar cuidadosamente nuestros métodos para determinar en qué podíamos confiar realmente».

Nuevos métodos de análisis

Para llevar a cabo este minucioso análisis, el equipo de astrónomos desarrolló nuevos métodos con el propósito de reconstruir una imagen polarizada a partir de las mediciones limitadas y ruidosas proporcionadas por el EHT. Estos métodos fueron sometidos a exhaustivas pruebas «Fue fundamental contrastar nuestros distintos métodos de análisis con datos simulados y entre sí», explica Freek Roelofs, investigador postdoctoral del Centro de Astrofísica de Harvard y Smithsonian.

En un artículo complementario, también recién publicado, Roelofs descubrió que cuando imponía hipótesis muy estrictas a su análisis, los datos revelaban una sorprendente diferencia en la luz girando a izquierdas y a derechas en el anillo observado. Sin embargo, otros métodos que planteaban hipótesis menos restrictivas no apreciaban esa diferencia.  «Trabajar juntos en equipo para ver qué podemos y qué no podemos extraer de nuestros datos ha hecho que este proyecto sea increíblemente emocionante y gratificante», afirma Roelofs.

El equipo llevó a cabo diversas pruebas con los datos, y en todas ellas se encontraron pruebas concluyentes de la existencia de luz polarizada circularmente en las proximidades del horizonte de sucesos. Al final, como las medidas de polarización circular del EHT eran mucho más débiles que las de los conjuntos de datos anteriores, el equipo no pudo obtener una imagen inequívoca de la «orientación» de la luz en espiral. No obstante, los astrónomos lograron determinar que la parte de la luz con polarización circular o en espiral representaba únicamente una pequeña fracción de la luz total que componía la imagen del agujero negro.

Imagen del agujero negro supermasivo en M87 en luz polarizada captado en marzo de 2021. Imagen: Consorcio EHT

El equipo aplicó estas mediciones para probar distintas teorías sobre la forma y el movimiento del plasma y el campo magnético alrededor del agujero negro, incluyendo un conjunto de simulaciones en supercomputadoras de última generación. «Las observaciones de la polarización circular refuerzan nuestros resultados anteriores, que indicaban que los campos magnéticos son lo bastante intensos como para frenar la caída de materia y así lanzar los fuertes chorros de plasma que vemos extenderse por toda la galaxia M87», afirma Angelo Ricarte, investigador postdoctoral de la Iniciativa Agujero Negro de la Universidad de Harvard.

Abhishek Joshi, estudiante de posgrado de la Universidad de Illinois, añade: «Es maravilloso comparar directamente nuestras simulaciones con estas observaciones punteras. Juntas, dibujan un entorno caótico y violento justo fuera del horizonte de sucesos, donde los campos magnéticos, la gravedad y el plasma caliente se enredan entre sí.»

Próximo reto, investigar cómo crecen los agujeros negros

Aunque los datos actuales del EHT no son lo bastante sensibles para determinar la estructura de la polarización circular del agujero negro, el equipo alberga esperanzas en un futuro cercano.  El análisis en curso de los nuevos datos recopilados después de 2017 promete una mejora en la detección de esta señal. Esto podría proporcionarnos información sobre si los pares de partículas de materia-antimateria forman parte del plasma fuera del horizonte de sucesos y cómo se aceleran a velocidades cercanas a la de la luz.

«Trabajar con estas observaciones pioneras fue todo un reto, pero nos preparó para el futuro», afirma Svetlana Jorstad, investigadora de la Universidad de Boston. «El EHT está creciendo rápidamente, con nuevos telescopios y mejor tecnología en toda nuestra red, lo que nos proporciona un conjunto de datos más sensibles y detallados con los que trabajar. Es emocionante contemplar lo mucho que van a mejorar nuestros resultados en poco tiempo.»

«El análisis de las nuevas observaciones en luz polarizada realizadas con el EHT desde 2017 nos permitirá acotar mejor cuales son los mecanismos que permiten crecer los agujeros negros en el centro de las galaxias a partir del material que los redea, y en particular cual es el mecanismo que juega el campo magnético en estos procesos», afirma Marianna Foschi, investigadora predoctoral del IAA.

«En un futuro próximo el EHT publicará los resultados del análisis de la luz polarizada del agujero negro en el centro de nuestra galaxia, conocido como SgrA. Por primera vez podremos comprobar si nuestras teorías se aplican igualmente al agujero negro de nuestra galaxia, a pesar de que el ritmo al que se alimenta del material cercano es mucho menor que en el caso de M87», afirma Thalia Traianou, investigadora postdoctoral del IAA.

El consorcio EHT involucra a más de 300 investigadores de África, Asia, Europa, América del Norte y América del Sur, entre ellos miembros del IAA. Esta colaboración internacional trabaja para captar las imágenes más precisas jamás obtenidas de agujeros negros mediante la creación de un telescopio virtual del tamaño de la Tierra. Con el apoyo de una considerable inversión internacional, el EHT vincula diversos telescopios utilizando sistemas novedosos, creando un instrumento fundamentalmente nuevo con la potencia de resolución angular más alta que se ha logrado nunca.