A poco de cumplirse un nuevo aniversario de la primera imagen tomada de un agujero negro, el 10 de Abril de 2019, en el núcleo de la galaxia M87, el telescopio de Horizonte de Sucesos o EHT (las siglas en inglés de Event Horizon Telescope) vuelve a hacer noticia por conseguir una nueva imagen, pero esta vez mostrando las líneas de fuerza de los campos magnéticos existentes alrededor del agujero negro supermasivo, a través de luz polarizada.

La primera imagen del agujero negro supermasivo existente en el núcleo de la galaxia M87, publicada en Abril de 2019.

Se muestra la imagen del agujero negro supermasivo, con las lineas de fuerza de los campos magneticos existentes a su alrededor.

 

Para entender qué estamos viendo en esta fotografía, vamos a repasar dos conceptos fundamentales:  los Campos Magnéticos y la luz Polarizada.

El campo magnético, al igual que el campo eléctrico o el campo gravitatorio, en física son  las representaciones de las fuerzas magnética, eléctrica o gravitatoria, según corresponda. Hablamos de “campos” porque comprende una región espacial tridimensional alrededor del elemento que genera dicho campo, que queda afectada por las líneas de fuerza de dicho campo.

Existe una relación entre el campo eléctrico, que se genera cuando hay partículas cargadas en movimiento. y el campo magnético, conocida como “Ley de Ampere”. Esta ley indica que un campo se genera como consecuencia de la existencia del otro. 

Pero, ¿qué quiere decir esto?. Esto significa que si hay cargas eléctricas en movimiento (con su campo eléctrico), se genera automáticamente un campo magnético en dirección perpendicular a la del campo eléctrico, y viceversa. La existencia de ambos campos en un medio cualquiera, como el aire o incluso en el vacío, generan lo que se conoce como campo electromagnético, formado por ondas electromagnéticas, o dicho de otro modo, ondas de campos eléctrico y magnético, perpendiculares uno al otro. Por otra parte, estos campos se propagan en el espacio como ondas debido a que las intensidades de estos campos van aumentando, luego disminuyen, y luego invierten su sentido de variación, a medida que se propagan en línea recta por el espacio. Un claro ejemplo de ondas electromagnéticas es la Luz.

Onda electromagnética, los puntos azules describen la intensidad del campo magnético B, las líneas punteadas rojas corresponden a la intensidad del campo eléctrico E, el eje x corresponde a la dirección de propagación.

La luz, como onda electromagnética que es, puede estar polarizada o no. Pero ¿qué es la polarización?

La polarización es el fenómeno en el que las ondas de luz u otro tipo radiación electromagnética, estan restringidas a una única dirección de vibración, y por ende, una dirección de propagación. Si una onda electromagnética no tiene orientación preferencial se dice que no está polarizada; pero si existe una dirección preferencial de propagación, entonces la onda está polarizada. Normalmente cuando se habla de una onda polarizada, se hace referencia a la restricción en la dirección de propagación del campo eléctrico, pero se entiende que la restricción sobre el campo magnético queda directamente impuesta. 

Existen diferentes clases de polarización, lineal, circular o elíptica. En la polarización lineal, los campos oscilan en una sola dirección, mientras que en la polarización circular o elíptica, los campos giran a una velocidad constante en un plano a medida que la onda se propaga.

Representación gráfica del fenómeno de polarización a través de un filtro polarizador.

 

Se muestran los diferentes tipos de ondas polarizadas lineal, circular y elíptica.

 

El estudio de la luz polarizada de diferentes tipos de objetos astronómicos que emiten radiación electromagnética, provee información acerca del campo magnético del objeto y permite describir las características internas del mismo.

En el caso de las galaxias conocidas como AGN, que tienen en su núcleo un agujero negro supermasivo, como es el caso de la galaxia M87, son fuentes de radiación de Sincrotron (radiación electromagnética emitida por partículas cargadas eléctricamente y relativistas, es decir con velocidades muy cercanas a la velocidad de la luz) y en particular este tipo de radiación tiene una polarización lineal. 

La última imagen publicada del agujero negro supermasivo de la galaxia M87 en la revista científica The Astrophysical Journal, muestra cómo el plasma (gas formado por partículas cargadas y con muy alta energía) existente alrededor del agujero negro supermasivo, produce un patrón de polarización al atravesar el campo magnético existente alrededor del mismo.

Panel superior: imagen polarimétrica de M87. La escala de grises codifica la intensidad total y las marcas ilustran el grado y la dirección de la polarización lineal. El color de la marca indica la amplitud de la polarización lineal fraccionada. Estas imágenes revelan que una fracción significativa de la emisión del anillo está polarizada linealmente, como se esperaba para la radiación de sincrotrón.

Si los campos magnéticos son débiles, el plasma que los atraviesa, crea un patrón circular de radiación.

Ilustración gráfica de la disposición del agujero negro, el campo magnético, la radiación y en dónde se forma la imagen.

 

Para campos magnéticos débiles, el patrón de radiación se ve como un patrón circular.

Si los campos magnéticos son extremadamente fuertes, resisten el movimiento del plasma, y se enderezan como los rayos de una rueda de bicicleta, haciendo que las ondas de luz polarizadas muestren un patrón diferente.

Ilustración gráfica de la disposición del agujero negro, el campo magnético, ahora con una intensidad intermedia, similar a los campos magnéticos existentes en el núcleo de la galaxia M87. También se muestra la dirección de radiación emitida y en dónde se forma la imagen.

 

Para campos magnéticos intermedios, el patrón de radiación se ve como una espiral.

Analizando este patrón de radiación, podemos aprender sobre la geometría y la fuerza de los misteriosos campos magnéticos que rodean a los agujeros negros.

La última imagen tomada por el telescopio de Horizonte de Sucesos (EHT) mostrando las líneas de polarización espiral.

 

Superposición del patrón de polarización sobre la imagen del agujero negro supermasivo.

En cuanto al chorro de energia y materia en forma de plasma que emerge del nucleo de M87, los científicos utilizaron los datos obtenidos con el radiotelescopio Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) de Chile, y así pudieron mapear cómo es la polarización de la luz en esta sección, más alejada del agujero negro de M87. Con esto se puede saber cómo evoluciona la polarización de la luz a medida que se aleja del campo magnético del agujero negro.

Imagen del jet proveniente del agujero negro de M87 publicada en Abril de 2019.

 

Superposición de la imagen del jet proveniente del agujero negro supermasivo, con el patrón de polarización de dicha radiación.

 

“Este trabajo es un hito importante, porque la polarización de la luz lleva información que nos permite entender mejor la física que hay detrás de la imagen que vimos en abril de 2019, algo que antes no era posible” explica Iván Martí-Vidal, coordinador del Grupo de Trabajo de Polarimetría del EHT en la Universidad de Valencia (España). De esta forma, lo que se observa en la imagen es evidencia crucial para entender cómo el campo magnético permite que el agujero negro ‘coma’ materia y lance los potentes chorros de materia, conocidos como jet, una de las características más misteriosas y energéticas de la galaxia. 

Fuentes y referencias:

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/abe4de#artAbst

https://www.xataka.com/espacio/esta-primera-imagen-agujero-negro-mostrando-vortice-su-campo-magnetico-todo-su-esplendor

https://eventhorizontelescope.org/

https://www.almaobservatory.org/