ALMA obtiene la primera imagen del disco de acreción del agujero negro supermasivo Sagitario A*

La primera imagen de EHT de Sagitario A* (Sgr A*), el agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea, tardará en llegar. Para sorpresa de muchos, esta semana se publica en Nature que ALMA (ESO) ha obtenido la primera imagen del pequeño disco de acreción de materia que rodea a Sgr A*. La imagen cubre una región menor de veinte mil radios de Schwarzschild (unos 0.009 pársecs, o unos 0.23 segundos de arco en el cielo). ALMA observa la emisión de gas frío ionizado (104 K) que visto desde la Tierra está desplazado al azul en la dirección suroeste (imagen izquierda en la figura) a unos 0.004 pársec de Sgr A* y desplazado al rojo en la dirección noreste (imagen derecha en la figura) a similar distancia. Este disco en rotación tiene una masa estimada entre 10−5 y 10−4 masas solares; por tanto, su densidad está entre 105 y 106 átomos de hidrógeno por centímetro cúbico. Además, se estima que cae en Sgr A* alrededor de 2.7 × 10−10masas solares al año (como la mitad de la masa del planeta enano Ceres).

ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimetre Array) ha observado a una longitud de onda de 1.3 mm (231.9 GHz) la emisión H30α (debida a la línea de recombinación del hidrógeno emitida en la trasición n = 31 → 30). El espectro en la frecuencia de H30α, integrado con una ventana con apertura 0.63 × 0.51 segundos de arco, tiene una anchura que equivale a 2200 km/s. El espectro muestra un doble pico a ± 500 km/s (entre 231 GHz y 233 GHz), con un mínimo central (ver la primera figura de esta entrada); la presencia de este mínimo que separa una región desplazada al azul, a su izquierda, de una desplazada al rojo, a su derecha, es la que apunta a un disco de gas en rotación con una inclinación respecto a la Tierra de unos 15° y un sentido de rotación idéntico al del disco galáctico.

El disco de acreción de Sgr A* es muy pequeño, pero parece mucho mayor de lo esperado; por ello, sus propiedades tendrán que ser confirmadas por la imagen del EHT (Event Horizon Telescope); se espera que su imagen de Sgr A* se publique dentro de un año. El artículo es Elena M. Murchikova, E. Sterl Phinney, …, Roger D. Blandford, “A cool accretion disk around the Galactic Centre black hole,” Nature 570: 83-86 (05 Jun 2019), doi: 10.1038/s41586-019-1242-z. Más información en “The accretion disk around our galaxy’s black hole has been spotted at last,” ScienceNews, 05 Jun 2019.

Esta imagen se ha construido combinando las dos imágenes de la primera figura, pero coloreando en azul la emisión desplazada al azul (que se acerca a nosotros) y en rojo la desplazada al rojo (que se aleja de nosotros); la cruz central indica la posición de Sgr A*. Este agujero negro supermasivo de unas cuatro millones de masas solares está rodeada por una nube de gas con un diámetro de unos pársecs. Hay gas ionizado caliente (107 K) y frío (de 102 a 104 K), pero en la región más cercana a Sgr A*, a menos de 4 milipársecs, solo se observa gas frío. Lo más relevante de esta observación es que augura que futuras observaciones con EHT, GRAVITY, ELT y TMT permitirán obtener un conocimiento muy detallado del disco de acreción de Sgr A*.

Esta imagen resume nuestro conocimiento actual del entorno de Sgr A* (estrella negra central) hasta una distancia de unos dos pársecs. El óvalo en rojo es el disco de gas circunnuclear (un toroide) de unos 2 pársecs que contiene gas molecular. En color verdoso se observan tres corrientes de gas ionizado que rotan en sentido contrario a las agujas del reloj, denotadas en la figura como mini-spiral (como comenta Héctor en los comentarios dicho término “se aplica al conjunto de los tres brazos de gas en color verdoso, no a cada uno individualmente”).

El círculo de color grisáceo marcado “Nuclear star cluster” es la región donde se encuentran las estrellas más cercanas a Sgr A* (como comenta Héctor, “el cúmulo de estrellas que hay en el centro galáctico está bastante más extendido que las estrellas que permitieron medir la masa de Sgr A*; estas últimas serían estrellas como S2, que orbitan muchísimo más cerca del agujero negro como indica el diagrama también”). El círculo gris a 0.3 pársecs marcado como Keplerian fall-off radius marca la región donde la masa de Sgr A* controla las órbitas de las estrellas y del gas que le rodean. El radio de Bondi para la emisión de rayos X, que separa la frontera entre el gas supersónico y subsónico, se encuentra a unos 0.04 pársecs. A la derecha arriba en la figura se muestra la región interior al radio de Bondi.

Esta figura ilustra la emisión que da lugar a la línea H30α. Los fotones con energía superior a 13.6 eV ionizan el hidrógeno neutro. Cuando los electrones acelerados se recombinan pueden alcanzar niveles altos n ≫ 1, luego decaen al nivel fundamental vía una cascada de saltos. Algunos electrones pasan por la transición n = 31 → 30 durante dicha cascada. La cantidad de radiación H30α es proporcional al número de transiciones de este tipo que ocurren en el gas ionizado.

En resumen, sin lugar a dudas estamos ante un resultado espectacular de ALMA. Basta recordar que se están observando detalles con una resolución inferior a 0.009 pársecs cuando Sgr A* hasta a unos 8000 pársecs de la Tierra. Además, el resultado es toda una sorpresa, por inesperado, luego se necesita una confirmación independiente. 

Supongo que no tardará en llegar.