Imagen del agujero negro situado en el centro de la galaxia Messier 87 (M87)- EHT

Imagen del agujero negro situado en el centro de la galaxia Messier 87 (M87)- EHT


Por primera vez en la historia se logro una imagen real de un hoyo negro, uno supermasivo, ubicado en la galaxia Messier 87 (M87), una galaxia elíptica gigante ubicada en el Cúmulo de Virgo. El logro se difundió en una serie de conferencias de prensa internacionales simultáneas celebradas el 10 de abril de 2019, por todo el planeta, y en una serie de seis artículos científicos publicados en una edición especial de la revista Astrophysical Journal Letters.

Este descubrimiento lleva a confirmar la Teoría de la Relatividad, planteada por Albert Einstein, hace un siglo.

El agujero negro se encuentra a 55 millones de años luz de la Tierra y es 6,500 millones de veces más masivo que el Sol, fue “fotografiado” -junto con su sombra- por investigadores que trabajan con el Telescopio Horizonte de Sucesos (EHT por sus siglas en inglés).

Laurent Loinard, investigador del Instituto de Radioastronomía y Astrofísica (IRyA) de la UNAM -participante en los trabajos que llevaron a obtener la imagen- anunció que ahora quieren tener una película para ver cómo el material alrededor del agujero negro evoluciona con el tiempo y observar cómo cambian las cosas. “Teóricamente sabemos que estos objetos son variables. El material a su alrededor se mueve a velocidades comparables con la de la luz, y eso hace que si uno vuelve a observarlo unos meses después podría mirar cambios en su estructura. Por eso una película sería la meta final”, expresó. Aunque, para lograrla, tardaran una década.

Para lograr esta imagen se conectaron las señales de ocho radiotelescopios repartidos por todo el planeta y se logró formar un telescopio virtual del tamaño de la Tierra con una sensibilidad y resolución sin precedentes. Durante dos semanas en 2017, los ocho radiotelescopios del EHT apuntaron todos al mismo punto, en este caso a dos agujeros negros supermasivos, y captaron señales que un grupo de 200 científicos de una veintena de países convirtieron en imágenes inéditas.

Para lograr esta imagen se formó un telescopio virtual del tamaño de la Tierra con una sensibilidad y resolución sin precedentes

El EHT es el resultado de años de colaboración internacional y ofrece a los científicos una nueva forma de estudiar los objetos más extremos del universo predichos por la relatividad general de Einstein, un siglo después del histórico experimento que confirmó esta teoría por primera vez.

“Hemos tomado la primera imagen de un agujero negro”, ha dicho el director del EHT, Sheperd S. Doeleman, del Center for Astrophysics Harvard & Smithsonian (Estados Unidos). “Se trata de un hito histórico en astronomía”, puntualizó.

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Localizaciones de los telescopios que forman parte del EHT y distancias entre ellos. Crédito: ESO/ L. Calçada

La sombra del agujero

“Cuando se encuentra inmerso en una región brillante, como un disco de gas incandescente, esperamos que un agujero negro genere una región oscura similar a la de una sombra, algo ya predicho por la relatividad general de Einstein que nunca habíamos visto hasta ahora”, explicó el director del consejo científico del EHT, Heino Falcke, de la Universidad de Radboud (Países Bajos).

“Esta sombra, causada por la curvatura gravitacional y la absorción de luz por el horizonte de sucesos, revela mucho sobre la naturaleza de esos fascinantes objetos y nos ha permitido medir la colosal masa del agujero negro de la galaxia M87”, detalló.

Múltiples observaciones independientes del EHT revelado lo que muestra la imagen: Una estructura en forma de anillo con una región oscura central: la sombra del agujero negro.

“Una vez seguros de que habíamos captado la sombra, pudimos comparar nuestras observaciones con una amplia serie de simulaciones por ordenador que incluyen la física del espacio curvo, la materia sobrecalentada y los potentes campos magnéticos alrededor del agujero negro. Muchas de estas características de la imagen observada concuerdan sorprendentemente bien con nuestras predicciones teóricas”, destacó Paul T.P. Ho, miembro del consejo de EHT y director del East Asian Observatory. “Esto reafirma nuestra interpretación teórica de las observaciones, incluida la estimación de la masa del agujero negro”.

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La enorme aureola que rodea la galaxia elíptica Messier 87. Crédito: Chris Mihos (Case Western Reserve University)/ESO

De Hawái a Granada

La creación del EHT ha supuesto un reto formidable, que requirió modernizar y conectar una red mundial de ocho telescopios ya existentes situados en zonas remotas a una gran altitud. Estas localizaciones incluyen volcanes en Hawái (Estados Unidos) y México, montañas en Arizona (Estados Unidos) y Sierra Nevada (Granada, España), el desierto chileno de Atacama y la Antártida.

El EHT alcanza una resolución angular suficiente para poder leer un periódico en Nueva York desde una cafetería en París

Las observaciones del EHT emplean una técnica denominada interferometría de muy larga base (VLBI por sus siglas en inglés), la cual sincroniza telescopios por todo el mundo y aprovecha la rotación de la Tierra para formar un gigantesco telescopio virtual del tamaño de nuestro planeta. Observando a una longitud de onda de 1,3 milímetros y gracias a la técnica VLBI, el EHT alcanza una resolución angular de solo 20 microsegundos de arco, suficiente para poder leer un periódico en Nueva York desde una cafetería en París.

La puesta en marcha del EHT y las observaciones que se han anunciado hoy suponen la culminación de décadas de trabajo observacional, técnico y teórico. Este ejemplo de trabajo en equipo global ha requerido la colaboración de investigadores de todo el mundo. 13 instituciones asociadas han trabajado para crear el EHT, empleando infraestructuras ya existentes y financiación extra obtenida de una gran variedad de agencias, entre las que se encuentran la US National Science Foundation (NSF), el European Research Council (ERC) y agencias financieras de Asia.

“El Telescopio Horizonte de Sucesos ha transformado nuestra visión de los agujeros negros de un concepto matemático en algo real que puede ser estudiado a través de repetidas observaciones astronómicas”, comentó José Luis Gómez, investigador del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) en el Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA), parte del equipo español que participó en este descubrimiento.

“Hemos logrado algo que parecía simplemente imposible hace tan sólo una generación”, refirió Doeleman, el director del EHT. “Los avances tecnológicos y la puesta en marcha de nuevos radiotelescopios durante la última década han permitido a nuestro equipo crear este nuevo instrumento, diseñado para ver lo invisible”.

¿Qué es un agujero negro y cómo se ve?

Los agujeros negros son objetos fascinantes predichos por la relatividad general de Einstein, aunque en realidad el famoso físico no creía mucho en ellos.

Son regiones del espacio-tiempo con una masa y un campo gravitatorio tan colosales que nada, ninguna partícula, ni siquiera la luz, puede escapar de su interior. Por tanto, no se pueden ver directamente; aunque debido a la inmensa atracción gravitatoria que ejercen sobre su entorno, los científicos deducen su existencia de forma indirecta.

Pero hay otra forma de observar un agujero negro. El límite más allá del cual la luz y toda la materia queda atrapada por este oscuro objeto se llama horizonte de sucesos, un punto de no retorno. En el preciso momento en que las partículas cruzan este límite, se emite una descarga final de luz.
 
Esta emisión se puede observar en el rango de longitud de onda milimétrica. Por tanto, es posible trazar el horizonte de un agujero negro y detectarlo de forma directa. Ese es precisamente el objetivo del proyecto EHT.

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Ilustración de un agujero negro supermasivo girando rápidamente. Entre otras características, se muestra el horizonte de sucesos o eventos y su disco de acreción alrededor (restos de una estrella destrozada). / ESO, ESA/Hubble, M. Kornmesser

Un equipo de ocho gigantes coordinados

El consorcio internacional Telescopio Horizonte de Sucesos (EHT por sus siglas en inglés: Event Horizon Telescope) es una red global de radiotelescopios y estaciones de interferometria de muy larga base (VLBIvery long baseline interferometry) repartida por varios continentes.

Su objetivo es observar el entorno inmediato de agujeros negros supermasivos. En concreto dos: Sagitario A*, localizado en el centro de la Vía Láctea a unos 25.000 años luz de la Tierra y con unos 4 millones de masas solares; y otro aún más grande (con varios miles de millones de masas solares) en la vecina y gigantesca galaxia Messier 87.

Estas son las instituciones que integraban en 2017 el EHT:

Está previsto que otros tres observatorios estén operativos dentro de la red en 2020 (IRAM NOEMA Observatoryen Francia –donde ya funcionan algunas de sus antenas–, Greenland Telescope en Groenlandia y Kitt Peak National Observatory (KPNO) en Arizona, EE UU).

En cada estación digitalizan y almacenan la información en discos duros, que luego se mandan por avión al observatorio Haystack del MIT en Massachusetts (EE UU) y al Instituto Max Planck de Radioastronomía en Bonn (Alemania), donde se juntan y sincronizan los datos con supercomputadoras para generar la imagen final del agujero negro.

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Los ocho observatorios del consorcio internacional Telescopio Horizonte de Sucesos (EHT) que participaron en las observaciones del agujero negro en 2017. / EHT

El Gran Telescopio Milimétrico Alfonso Serrano (GTM)

Uno de los equipos participantes es el Gran Telescopio Milimétrico Alfonso Serrano (GTM), ubicado a cuatro mil 600 metros en el Parque Nacional Pico de Orizaba, en el volcán Sierra Negra, Puebla. Está a cargo del Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE), Centro Conacyt, con la representación de la Universidad Nacional a través de Laurent Loinard, investigador del Instituto de Radioastronomía y Astrofísica (IRyA) de la UNAM.

David Hughes, director e investigador principal del GTM, señaló que ese equipo astronómico, con su ubicación geográfica y el tamaño de su antena, pudo contribuir de manera importante en la calidad de la imagen del agujero negro M87, así como en los primeros resultados.

Las primeras predicciones teóricas sobre cómo se debería ver un hoyo negro se hicieron en los años 70, pero hasta ahora se lograron convertir a una imagen. “Las señales captadas son de abril de 2017, pero tardamos dos años en analizar y convertir los datos, generar las imágenes y publicarlas”, explicó Loinard, investigador participante en la generación de imágenes y la publicación de los artículos.

Gran Telescopio Milimétrico "Alfonso Serrano"
Gran Telescopio Milimétrico “Alfonso Serrano”

Gran Telescopio Milimétrico “Alfonso Serrano”

La observación realizada

En cada telescopio se grabó la señal del objeto a observar, junto con la señal de un reloj atómico, que permitió después sincronizar las diferentes observaciones con la mayor exactitud posible.

Estos discos, con terabytes de datos cada noche, se enviaron a dos centros comunes del proyecto (uno en Estados Unidos y otro en Alemania), donde una supercomputadora recibió los diferentes discos y los sincronizó usando la señal del reloj atómico. 

“Esto permite conseguir una resolución angular, una nitidez de imagen, comparable con lo que tendríamos si tuviéramos un telescopio del tamaño de la Tierra”, expuso Loinard, quien destacó que se logró una resolución del orden de 25 microsegundos de arco. 

Interferometría

La interferometría es la técnica detrás de estos telescopios; con ella se toman datos de diferentes telescopios y luego se mezclan para obtener una imagen de alta resolución.

Si uno toma un telescopio de 10 centímetros de diámetro y apunta al cielo tapando la mitad de la lente, no desaparece la mitad de la imagen, ésta se vuelve menos intensa porque la mitad de la luz queda registrada. No deforma la imagen, sólo baja su intensidad.

“Ese es el principio. No necesitamos un telescopio completo, sino que podemos hacer imágenes con pedazos chiquitos del telescopio, siempre y cuando los juntemos de manera correcta. Es lo que hace la interferometría, usa diferentes telescopios como si fueran parte de uno mucho más grande, y la manera como se mezclan después los datos es lo que permite poder producir imágenes, como si hubiéramos tenido un telescopio gigante”, remarcó Loinard.

Con esta técnica el EHT observó dos agujeros negros, el M87 del que se reportan hoy los resultados, y otro que está en el centro de nuestra galaxia, llamado Sagitario A*, cuyos datos están en proceso.

“Son dos agujeros negros que producen los anillos más grandes en el Universo, vistos desde donde estamos. Los dos se ven casi del mismo tamaño, porque el de M87 es dos mil veces más masivo y más grande, pero es también dos mil veces más lejano”.



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