W) Hacia los agujeros negros supermasivos. La investigación de punta del Telescopio Horizonte de Eventos

En 2019 la colaboración internacional del The Event Horizon Telescope (EHT) publicó las primeras “fotografías” del agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia M87 (ver p. XX de este número y TEHPC, 2019a). Estas imágenes confirmaron las predicciones de los modelos basados en la Teoría de la Relatividad General de Albert Einstein, al mostrar la presencia de una sombra oscura central rodeada por un anillo brillante asociado con la denominada esfera de fotones (TEHPC, 2019b; figura 1, izquierda). Algunos años después, la colaboración EHT publicó imágenes del mismo agujero negro en luz polarizada, que revelaron la presencia de campos magnéticos prominentes cerca del horizonte de eventos y permitieron restringir las condiciones físicas del plasma circundante (TEHPC 2021a, 2021b, 2023). Más recientemente se anunció una segunda imagen de M87 obtenida un año después de la original (TEHPC, 2024). Aunque la estructura general es similar, la región más brillante del anillo cambió claramente de posición (figura 1, derecha), como se espera teóricamente en el entorno dinámico de los agujeros negros supermasivos. La magnitud de este cambio podría favorecer la hipótesis de una orientación opuesta entre las direcciones de rotación del agujero negro y del material circundante (TEHPC, 2025).

En una serie de artículos publicados en paralelo con los de M87, la colaboración EHT también reveló imágenes del agujero negro Sgr A*, ubicado en el centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea. Estas imágenes muestran la misma estructura general que en el caso de M87 (con una sombra y un anillo brillante) pero ponen a prueba la Teoría de la Relatividad General de manera más directa, ya que la masa de Sgr A* se conoce con gran exactitud. Esto es gracias a los trabajos de los grupos de Andrea Ghez y Reinhard Genzel, quienes midieron la masa mediante el monitoreo de las órbitas de estrellas alrededor del centro galáctico. Sin embargo, el análisis de los resultados del EHT sobre Sgr A* es más complejo que en el caso de M87 debido a su variabilidad más rápida y a la presencia de material ionizado en la línea de visión, lo que provoca centelleo.

A pesar de los grandes avances logrados gracias a las imágenes del EHT de M87 y Sgr A*, varias preguntas fundamentales siguen abiertas. Una de ellas tiene que ver con la variabilidad de la emisión observada. El tiempo característico de variabilidad de un agujero negro es proporcional a su masa, de tal forma que los agujeros negros más masivos presentan variaciones más lentas que los menos masivos; en el caso de los dos objetos mencionados anteriormente, los tiempos característicos de variabilidad son de minutos para Sgr A* y días para M87. La rápida variabilidad de Sgr A* implica retos para el análisis de los datos del EHT: la sensibilidad actual del instrumento nos obliga a promediar horas de datos para conseguir las imágenes, pero durante un tiempo tan largo, la estructura de la emisión puede cambiar drásticamente, lo que resulta en imágenes con una nitidez degradada. Por otro lado, los cambios observados en M87 a lo largo de los años nos permiten restringir algunas de sus propiedades, como la orientación relativa de la rotación del agujero negro y del material circundante. Idealmente se desearía un instrumento más sensible que el EHT y más versátil, capaz de monitorear tanto M87 como Sgr A* con cadencias que permitan rastrear sus variaciones.

Dicho instrumento es el The Event Horizon Telescope de nueva generación (ngEHT), que contempla agregar una docena de telescopios al arreglo EHT existente (figura 2). Además, el ngEHT observará simultáneamente en tres bandas de frecuencia, mientras que el EHT actual observa sólo en una), lo que permitirá mitigar el efecto de la atmósfera terrestre sobre las observaciones y el centelleo causado por el gas ionizado en la dirección de Sgr A*. Gracias al ngEHT será posible obtener películas de M87 y Sgr A* que permitirán rastrear sus variaciones temporales. Una segunda pregunta abierta muy importante que el ngEHT permitirá abordar es el origen de los potentes chorros relativistas que suelen emanar de algunos agujeros negros supermasivos, incluyendo M87. Varias teorías existentes intentan explicar la formación de estos chorros, pero hacen falta observaciones a escalas espaciales adecuadas para restringir dichas teorías. El EHT tiene una resolución angular demasiado alta y filtra la emisión a las escalas del chorro, revelando sólo las estructuras comparables con el horizonte de eventos. Otros instrumentos, en cambio, tienen una resolución demasiado baja para resolver la estructura interna del chorro en la vecindad del agujero negro. El ngEHT permitirá cerrar esta brecha observacional mediante la incorporación de telescopios estratégicamente ubicados que optimicen la cobertura espacial y la sensibilidad a escalas intermedias. En otras palabras, el ngEHT nos permitirá, por primera vez, “filmar” la formación de un chorro relativista.

Los radiotelescopios nuevos que se incorporarán al ngEHT son todos idénticos, con un diámetro de trece metros. La ubicación exacta de cada nuevo telescopio se determinó mediante estudios detallados que consideraron las condiciones meteorológicas y topográficas, así como la optimización del arreglo final para los fines científicos del instrumento en su conjunto. Uno de los sitios seleccionados para recibir una antena del ngEHT es el Observatorio Astronómico Nacional en San Pedro Mártir, Baja California. Este sitio combina condiciones meteorológicas excepcionales con una infraestructura logística ideal para un instrumento de frontera como el ngEHT. Además, la proximidad con telescopios existentes en Arizona y en la Sierra Negra, en Puebla, permite acceder a las escalas espaciales intermedias necesarias para el estudio de la formación de chorros relativistas.

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