L’Event Horizon Telescope (EHT) acaba de publicar l’observació d’un doll relativista (una descomunal estructura formada per un feix col·limat de plasma, fortament accelerat per un forat negre supermassiu) en el qual pot apreciar-se com les ones de xoc internes interactuen amb el camp magnètic turbulent del mateix doll. Aquest descobriment, recentment publicat en la revista Astronomy & Astrophysics, proporciona una imatge pròxima i poc comuna d’una regió en ràpida evolució prop d’un forat negre, on es formen i acceleren els dolls relativistes.

El doll relativista que s’ha observat és l’associat al forat negre central del blàzar OJ 287, situat a uns 1.600 milions d’anys llum, en la constel·lació de Càncer. Els blàzars constitueixen un tipus extrem de galàxia activa el doll de la qual apunta quasi directament cap a la Terra, la qual cosa els converteix en un dels objectes més variables i energètics de l’Univers. Utilitzant l’extraordinària nitidesa assolible amb l’EHT (que permet distingir estructures de la grandària d’una pilota de tenis en la Lluna), l’equip va detectar dos brillants components en el doll, que es comporten com a ones de xoc movent-se a diferents velocitats cap a l’exterior. A més, la llum que emeten aquestes ones de xoc està fortament polaritzada (la polarització de la llum és la preferència del seu camp elèctric a vibrar en una direcció determinada). En aquest cas, la polarització es deu a efectes relacionats amb el plasma i la direcció del camp magnètic que hi ha embegut en el doll. Per tant, a mesura que aquestes brillants ones de xoc van viatjant al llarg del doll, la seua polarització va canviant, la qual cosa permet “escanejar” l’estructura del camp magnètic com si s’estiguera usant un tomògraf.

El patró de rotació en la polarització que mostren aquestes components (amb una component girant en sentit oposat al de l’altra) proporciona un senyal directe que el doll està travessat per un camp magnètic helicoidal, amb les línies de camp enrotllant-se al llarg del doll.

Més enllà d’aquestes dues ones de xoc, les imatges revelen que el doll no és simplement recte i suau. En canvi, mostra una estructura retorçuda, similar a una ona, probablement relacionada amb les anomenades “inestabilitats de Kelvin-Helmholtz”.

Segons explica el catedràtic de la Universitat de València Manel Perucho, expert en dinàmica de dolls relativistes i simulacions numèriques, “es tracta d’un efecte comú en el qual la diferència de velocitat entre capes adjacents de fluid o gas genera ones i vòrtexs, similars a les ondulacions i ones que es formen quan es troben dos vents, però que en aquest cas es produeixen en un doll de plasma que es mou a velocitats pròximes a la de la llum”.

A més, José L. Gómez, autor principal del treball i investigador de l’Instituto de Astrofísica de Andalucía-CSIC, afirma que “aquestes rotacions de la polarització en direccions oposades són la prova irrefutable de la nostra troballa. En propagar-se al llarg del doll i travessar l’ona de Kelvin-Helmholtz, els xocs il·luminen diferents fases de l’estructura del camp magnètic helicoidal, produint els canvis de polarització que observem”.

Imatges precises de la llum polaritzada del doll
Mesurar la polarització de la llum amb l’EHT és tot un repte tècnic. Els senyals de polarització són febles i poden distorsionar-se fàcilment per xicotets efectes instrumentals en cada telescopi. L’extracció de mapes de polarització fiables requereix un calibratge i verificacions creuades extremadament acurades al llarg de l’anàlisi.

“La polarització és un dels senyals més rics en informació que podem mesurar, però també és un dels més fràgils”, assenyala el professor de la Universitat de València Iván Martí-Vidal, especialista en polarimetria VLBI d’alta precisió i un dels desenvolupadors de les tècniques de calibratge clau utilitzades per l’EHT. “Per a estar segurs que aquestes rotacions de polarització es produeixen realment prop del forat negre i no es deuen a efectes instrumentals, necessitem modelar i corregir les dades amb extrema cura. El fet que algorismes completament independents recuperen les mateixes característiques de polarització a partir de les dades és una sòlida validació del resultat”, assegura.

Les observacions utilitzades per a l’anàlisi actual es van realitzar durant cinc dies en abril de 2017 i revelen canvis sorprenents en una escala de temps excepcionalment curta per a aquesta font. En només uns dies, tant l’estructura del doll com la seua llum polaritzada van evolucionar notablement, la qual cosa demostra que el doll interior és un entorn molt dinàmic.

“Observem canvis substancials al llarg de cinc dies. Amb un monitoratge més llarg i continu, vam poder seguir la interacció pas a pas i construir una imatge tridimensional real de l’estructura magnètica del doll”, indica Efthalia Traianou, de la Universitat de Heidelberg i de l’Institut Max Planck de Radioastronomia.

Un laboratori còsmic
El doll d’OJ 287 ha sigut escenari d’espectaculars esdeveniments cataclísmics durant més d’un segle d’observacions. Els astrònoms porten molt temps debatent si aquests esdeveniments podrien estar relacionats amb la presència d’un segon forat negre supermassiu que orbita al voltant del forat negre principal. Siga el que siga la causa última de la seua variabilitat a llarg termini, OJ 287 continua sent un important “laboratori” per a estudiar com s’alimenten els forats negres i com responen els seus dolls.

Les noves imatges de l’EHT se centren en la regió on s’organitza i s’energitza el doll, amb una nitidesa que permet dilucidar directament la seua estructura polaritzada, els canvis de la qual poden seguir-se al llarg del temps.

Noves fronteres en la física dels dolls i simulacions a l’última
A causa de la seua altíssima resolució espacial, les observacions de l’EHT permeten als investigadors posar a prova models físics del comportament dels dolls amb mesuraments resolts espacialment.

D’acord amb el catedràtic de la Universitat de València José María Martí, expert en la física de dolls relativistes i Relativitat Numèrica, “aquestes observacions ens permeten finalment separar en l’espai processos que abans apareixien superposats”. I aclareix: “Quan combinem les imatges de l’EHT amb simulacions d’última generació, podem plantejar-nos preguntes molt directes: com es propaguen les ones de xoc, com les inestabilitats de Kelvin-Helmholtz donen forma al flux o com els camps magnètics influeixen en l’acceleració de les partícules. Aquest és exactament el tipus de sinergia entre dades i simulacions que necessitem per a comprendre què fa que els dolls siguen estables, turbulents o radiativament eficients”.

Una nova finestra a l’Univers
Aquest descobriment suposa un gran avanç en la comprensió de com els forats negres alimenten i donen forma als seus dolls. En resoldre els ràpids canvis de polarització en les diferents característiques dels dolls, l’EHT ofereix una nova manera de posar a prova les idees sobre els camps magnètics, les ones de xoc, les inestabilitats i l’acceleració de partícules en un dels entorns més extrems de l’univers conegut.

El resultat també apunta cap al que podria vindre després: una cobertura temporal més llarga i densa per a capturar l’evolució del doll, no com una xicoteta successió d’instantànies, sinó com una seqüència real (una “pel·lícula”), revelant com es desenvolupen l’estructura magnètica i la dinàmica del plasma en gran detall.

Referència article: Gómez, J.L., Cho, I., Traianou, E., et al. “Spatially resolved polarization swings in the supermassive binary black hole candidate OJ 287 with first Event Horizon Telescope Observations” Astronomy & Astrophysics, 2026. https://doi.org/10.1051/0004-6361/202555831 

Descripció de la figura: Les imatges de polarització (en color taronja; part esquerra de la figura) mostren tres components brillants que evolucionen visiblement durant l’interval de cinc dies (5 d’abril a l’esquerra; 10 d’abril en el centre). Aquesta és l’escala temporal més curta en la qual s’han obtingut imatges directes de tals canvis en el doll d’aquest forat negre.

Les dues components de baix exhibeixen rotacions de polarització en direccions oposades: la més inferior (anomenada “C1/P1”) rota en sentit antihorari uns 18°, mentre que la component central (anomenada “C2/P2”) rota en sentit horari uns 12°. Quant a la component superior (anomenada “C3*/P3”), més allunyada, mostra una polarització amb estructura radial, més típica d’una “ona de recol·limació”. En la part dreta de la figura, es mostra un esquema de com es propaguen les ones de xoc (fletxes verdes) a diferents velocitats a través del doll, interactuant amb un patró helicoidal “d’ones de Kelvin-Helmholtz” (línies taronges), mostrejant diferents fases del camp magnètic helicoidal (línies blaves) i produint les rotacions oposades observades.