El Telescopio del Horizonte de Sucesos revela por qué el anillo del agujero negro de M87 no es perfectamente circular

La galaxia M87, situada a unos 55 millones de años luz de la Tierra, alberga en su núcleo el agujero negro supermasivo M87*, cuya imagen dio la vuelta al mundo en 2019 gracias al Telescopio del Horizonte de Sucesos (EHT). Aquella histórica fotografía reveló un anillo luminoso alrededor de M87* con una forma ligeramente alargada que suscitó numerosas preguntas: ¿por qué no es perfectamente circular? Hoy, la revista Astronomy & Astrophysics (A&A) publica un estudio coliderado por el Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA‑CSIC), que arroja luz sobre esta cuestión.

“Hemos demostrado que la forma ligeramente alargada del anillo no está causada por la gravedad o por el giro —o espín— del agujero negro, sino por procesos astrofísicos turbulentos en el plasma que lo rodea”, explica Rohan Dahale, investigador del IAA‑CSIC y coautor principal del trabajo.

La teoría de la relatividad general de Einstein predice que la “sombra” de un agujero negro en rotación se achata ligeramente, adoptando una forma elíptica como consecuencia de la distorsión del espaciotiempo ocasionada por su espín. Cuantificar esta elipticidad constituye una vía directa para estimar el espín del agujero negro, uno de los dos parámetros que, junto con la masa, definen por completo su apariencia y propiedades físicas.

MÁS ALLÁ DEL CÍRCULO PERFECTO: LO QUE REVELA LA FORMA DE M87*

Para refinar esta medida, el equipo científico incorporó en 2018 el Telescopio de Groenlandia a la red de estaciones del EHT, aumentando la resolución espacial y la sensibilidad de la colaboración, que se triplicó respecto a campañas anteriores. Empleando cinco algoritmos independientes de reconstrucción de imagen basados en técnicas de síntesis de apertura, se pudo comprobar de forma consistente que éste se aparta de un círculo perfecto en un 8 % aproximadamente. Además, descubrieron que esta elipse está girada unos 50 ° en sentido antihorario respecto al norte, alineada aproximadamente con el punto más brillante del anillo.

Para averiguar si la gravedad por sí sola podía explicar esa forma alargada, el equipo comparó las imágenes reales con una serie de simulaciones por ordenador que exploraban distintos escenarios físicos, incluyendo varios valores de espín para el agujero negro. Sorprendentemente, no hallaron una relación clara entre el espín y la elipse en las imágenes simuladas. En su lugar, descubrieron que la forma alargada del anillo iba de la mano con lo que llaman “emisión no anular”: un resplandor difuso que rodea el anillo principal, más intenso en aquellos modelos con electrones muy energéticos y con un chorro de materia —o jet— más brillante.

“Estos resultados apuntan a que la elipticidad de M87* es, sobre todo, una huella del plasma turbulento que gira en torno al agujero negro, y no un reflejo directo de su fuerza gravitatoria o de su velocidad de rotación”, aclara Ilje Cho (KASI/Yonsei University), coautor principal del estudio. “Así podemos separar mejor el papel de la gravedad del de los procesos astrofísicos a la hora de formar estas increíbles imágenes, y dar un paso más hacia la comprensión de cómo se comporta la materia en los entornos más extremos del universo”.

Esta figura compara imágenes simuladas (izquierda) y observadas (derecha) del agujero negro de M87*. En las simulaciones, la sombra real de un agujero negro en rotación (perfilada en azul) aparece menos de un 2 % achatada debido únicamente a la gravedad. Sin embargo, con la resolución actual del EHT, debido al plasma turbulento cercano al agujero negro, el anillo puede aparecer distorsionado entre un 2 y un 20 %. Las observaciones del EHT (derecha) revelan que el anillo está achatado en aproximadamente un 8 %, con su eje mayor inclinado 50° en sentido antihorario desde el norte, alineado aproximadamente con el punto más brillante. Esto sugiere que la elipticidad observada NO es impulsada por la gravedad o el espín, sino por la materia turbulenta que se arremolina alrededor del agujero negro. Créditos: Rohan Dahale (IAA-CSIC), Ilje Cho (KASI/Yonsei University)

Aunque medir el espín de M87* en presencia de tanta turbulencia supone un gran desafío, el equipo propone avanzar mediante dos vías complementarias:  por un lado, realizar observaciones sostenidas a lo largo de los años —para suavizar las fluctuaciones de corto plazo y desvelar las sutiles distorsiones gravitacionales que ahora están ocultas—; por otro, lanzar telescopios en órbita que, mediante interferometría de muy larga base (VLBI) espacial, sean capaces de resolver directamente el “anillo de fotones”, esa delgada envoltura de luz que orbita el agujero negro y porta una señal gravitacional más pura, idónea para medir el espín.

“Con las actualizaciones de la próxima generación del EHT (ngEHT) y las misiones espaciales, nos estamos acercando a aislar la verdadera firma gravitacional de un agujero negro”, explica Rohan Dahale (IAA-CSIC). “Y así, la información contenida en las propias imágenes permitirá medir el espín de forma directa”, concluye.

SOBRE EL TELESCOPIO DEL HORIZONTE DE SUCESOS (EHT)

El Telescopio del Horizonte de Sucesos (EHT) es una colaboración internacional que ha creado un telescopio virtual del tamaño de la Tierra conectando computacionalmente observatorios de radio de todo el mundo. Está diseñado para obtener imágenes de agujeros negros y probar la física fundamental en entornos gravitacionales extremos.

Esta figura muestra la red global de radiotelescopios que componen el Telescopio del Horizonte de Sucesos (EHT), creando un telescopio virtual del tamaño de la Tierra. La incorporación del Telescopio de Groenlandia (GLT) en 2018 proporcionó una cobertura norte-sur crucial (resaltada en amarillo), mejorando en gran medida la resolución y precisión de la imagen. Esta red ampliada permitió a los investigadores medir la elipticidad del anillo de M87* con una precisión de 3 a 5 veces mayor en comparación con observaciones anteriores. Créditos: Rohan Dahale (IAA-CSIC), Ilje Cho (KASI/Yonsei University)