Un equipo liderado por el Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC) ha desarrollado Kine, un nuevo algoritmo capaz de reconstruir en vídeo la evolución de los chorros de plasma que se forman en las proximidades de los agujeros negros supermasivos. El trabajo, publicado en Nature, se ha aplicado a 27 años de observaciones del blázar 3C 345, en la constelación de Hércules, y ha permitido seguir con un detalle sin precedentes cómo se mueve el plasma en las distintas zonas del chorro, además de sugerir que sus estructuras más brillantes no son ondas de choque, como se había asumido hasta ahora.
El algoritmo se basa en datos de interferometría de muy larga base (VLBI), una técnica que combina radiotelescopios separados por miles de kilómetros para obtener imágenes de objetos muy pequeños y lejanos, en este caso 116 observaciones del Very Long Baseline Array (VLBA) realizadas entre 1995 y 2022 en el marco del programa MOJAVE. Kine nació, de hecho, con otro objetivo en mente: filmar la variabilidad de Sagitario A*, el agujero negro supermasivo de nuestra propia galaxia, con el Telescopio del Horizonte de Sucesos (EHT). Su aplicación a un chorro que evoluciona a lo largo de décadas demuestra que el mismo método funciona en los dos extremos temporales posibles.
De las fotografías a las películas de agujeros negros
Hasta ahora, reconstruir la imagen de un chorro de plasma a partir de datos de VLBI implicaba tratar cada observación como una fotografía independiente, desconectada de las demás. Kine rompe con ese enfoque al incorporar también la dimensión temporal: en lugar de limitarse a los datos de un único momento, el algoritmo aprovecha simultáneamente toda la información disponible a lo largo del periodo de observación para reconstruir cada fotograma del vídeo final.
“A partir de la reconstrucción en vídeo obtenemos, con gran detalle, un chorro altamente variable en el que podemos seguir el movimiento del plasma punto a punto”, explica Marianna Foschi, investigadora que lideró el trabajo junto a Brandon Zhao (Caltech) y Antonio Fuentes (IAA-CSIC), y que desarrolló esta investigación como el núcleo de su tesis doctoral en el IAA-CSIC, dirigida por José Luis Gómez.
Campos neuronales que aprenden a ver el tiempo
Kine se apoya en un modelo de aprendizaje profundo conocido como “campos neuronales”, capaz de identificar y aprovechar las relaciones espaciales y temporales presentes en los datos de radiointerferometría. Esa capacidad de usar toda la serie temporal a la vez, y no solo instantáneas aisladas, se traduce en una ganancia notable de calidad. “Esta información adicional permite alcanzar una resolución aproximadamente cuatro veces superior y un rango dinámico más de cien veces mayor, lo que permite distinguir estructuras muy débiles junto a otras mucho más brillantes”, apunta Foschi.
El algoritmo está pensado, además, para el escenario más exigente: observaciones con muy poca cobertura instantánea, en las que ninguna imagen aislada puede reconstruirse de forma fiable, y solo la combinación de todo el conjunto de datos permite obtener un resultado sólido.
Un mapa completo del movimiento del plasma
La mayor calidad de las imágenes y la continuidad del vídeo han permitido, por primera vez, medir de forma completa cómo varía la velocidad del plasma en las distintas direcciones del chorro. “La continuidad y la alta resolución de nuestro vídeo nos han permitido obtener, por primera vez, un mapa completo de la velocidad y la dirección del movimiento del plasma en las distintas zonas del chorro. Hasta ahora, los estudios solo podían medir cómo se desplazaban algunas estructuras grandes dentro del chorro”, señala Antonio Fuentes, colíder del trabajo e investigador posdoctoral en el IAA-CSIC.
Ese mapa detallado ha permitido comparar, también por primera vez, la velocidad de las estructuras brillantes que recorren el chorro con la del plasma que las rodea. El resultado es sorprendente: ambas velocidades resultan muy similares, y las zonas de mayor polarización no coinciden con esas estructuras brillantes. Este comportamiento no encaja con la interpretación habitual, que identificaba dichas estructuras con ondas de choque. El equipo propone en su lugar que se trata de regiones donde la emisión se intensifica debido a un aumento local de la presión magnética.
De Sagitario A* a los archivos de MOJAVE: qué viene después
Más allá del caso concreto de 3C 345, el verdadero potencial de Kine reside en su capacidad para revisar datos ya existentes con una mirada nueva. “Kine nació de una necesidad muy concreta: pasar de las fotografías a las películas de los agujeros negros supermasivos que observamos con el EHT. Lo que demuestra este trabajo es que el método funciona también en el extremo contrario, con fuentes que cambian a lo largo de décadas”, concluye José Luis Gómez, profesor de investigación del IAA-CSIC.
Gómez apunta directamente a los archivos del programa MOJAVE, que lleva décadas observando cientos de chorros de núcleos activos de galaxias, como el siguiente gran objetivo: aplicar Kine a esos datos podría revelar una descripción del movimiento del plasma hasta ahora fuera de alcance, y obligar a revisar algunas de las ideas que se daban por establecidas sobre cómo se mueven estos chorros. Lo que empezó como una herramienta pensada para filmar la sombra de un agujero negro cercano ha terminado por abrir una nueva forma de mirar, década a década, algunos de los fenómenos más energéticos y menos comprendidos del universo.
