Trabajando juntos como un “telescopio virtual”, los observatorios de todo el mundo producen las primeras imágenes directas de un agujero negro.

Un equipo internacional de más de 200 astrónomos, entre ellos científicos del Observatorio Haystack del MIT, ha capturado las primeras imágenes directas de un agujero negro. Ellos lograron esta notable hazaña al coordinar el poder de ocho grandes radioobservatorios en cuatro continentes, para trabajar juntos como un telescopio virtual del tamaño de la Tierra.

En una serie de artículos publicados hoy en un número especial de Astrophysical Journal Letters (https://iopscience.iop.org/issue/2041-8205/875/1), el equipo ha revelado cuatro imágenes del agujero negro supermasivo en el corazón de Messier 87, o M87, una galaxia dentro del cúmulo de galaxias Virgo, a 55 millones de años luz de la Tierra.

Las cuatro imágenes muestran una región oscura central rodeada por un anillo de luz que parece más brillante en un lado que en el otro.

Albert Einstein, en su teoría de la relatividad general, predijo la existencia de agujeros negros, en forma de regiones infinitamente densas y compactas en el espacio, donde la gravedad es tan extrema que nada, ni siquiera la luz, puede escapar de su interior. Por definición, los agujeros negros son invisibles. Pero si un agujero negro está rodeado de material emisor de luz como el plasma, las ecuaciones de Einstein predicen que algo de este material debería crear una “sombra”, o un contorno del agujero negro y su límite, también conocido como su horizonte de sucesos.

Basándose en las nuevas imágenes del M87, los científicos creen que están viendo la sombra de un agujero negro por primera vez, en la forma de la región oscura en el centro de cada imagen.

La relatividad predice que el inmenso campo gravitacional hará que la luz se doble alrededor del agujero negro, formando un anillo brillante alrededor de su silueta, y también hará que el material circundante orbite alrededor del objeto a una velocidad cercana a la de la luz. El anillo brillante y sesgado de las nuevas imágenes ofrece una confirmación visual de estos efectos: El material que se dirige hacia nuestro punto de vista mientras gira parece más brillante que el del otro lado.

A partir de estas imágenes, los teóricos y modelistas del equipo han determinado que el agujero negro es aproximadamente 6.500 millones de veces más masivo que nuestro sol. Ligeras diferencias entre cada una de las cuatro imágenes sugieren que el material se desliza alrededor del agujero negro a la velocidad del rayo.

“Este agujero negro es mucho más grande que la órbita de Neptuno, y Neptuno tarda 200 años en rodear el sol”, dice Geoffrey Crew, un científico investigador del Observatorio Haystack. “Con el agujero negro del M87 siendo tan masivo, un planeta en órbita lo rodearía en una semana y estaría viajando a una velocidad cercana a la de la luz.”

“La gente tiende a ver el cielo como algo estático, que las cosas no cambian en el cielo, o si lo hacen, es en escalas de tiempo que son más largas que una vida humana”, dice Vincent Fish, un científico investigador del Observatorio Haystack. “Pero lo que encontramos para el M87 es que, con el detalle tan fino que tenemos, los objetos cambian en la escala de tiempo de los días. En el futuro, tal vez podamos producir películas de estas fuentes. Hoy vamos a ver los cuadros de salida.”

“Estas nuevas y notables imágenes del agujero negro del M87 prueban que Einstein tenía razón una vez más”, dice Maria Zuber, vicepresidenta de investigación del MIT y profesora de geofísica del Departamento de Ciencias de la Tierra, Atmosféricas y Planetarias de E.A. Griswold. “El descubrimiento fue posible gracias a los avances en sistemas digitales en los que los ingenieros de Haystack han sobresalido durante mucho tiempo.”

“La naturaleza era amable”

Las imágenes fueron tomadas por el Telescopio Event Horizon, o EHT, un conjunto a escala planetaria compuesto por ocho radiotelescopios, cada uno de ellos en un entorno remoto y a gran altitud, incluyendo las cimas de las montañas de Hawai, Sierra Nevada de España, el desierto chileno y la capa de hielo antártico.

En cualquier día dado, cada telescopio opera independientemente, observando objetos astrofísicos que emiten ondas de radio débiles. Sin embargo, un agujero negro es infinitamente más pequeño y oscuro que cualquier otra fuente de radio en el cielo. Para verlo claramente, los astrónomos necesitan usar longitudes de onda muy cortas -en este caso, 1,3 milímetros- que puedan cortar a través de las nubes de material entre un agujero negro y la Tierra.

Hacer una imagen de un agujero negro también requiere una ampliación, o “resolución angular”, equivalente a leer un texto en un teléfono en Nueva York desde un café en la acera de París. La resolución angular de un telescopio aumenta con el tamaño de su plato receptor. Sin embargo, incluso los radiotelescopios más grandes de la Tierra no son lo suficientemente grandes como para ver un agujero negro.

Pero cuando múltiples radiotelescopios, separados por distancias muy grandes, están sincronizados y enfocados en una sola fuente en el cielo, pueden operar como una sola antena parabólica muy grande, a través de una técnica conocida como interferometría de línea de base muy larga, o VLBI. Su resolución angular combinada como resultado puede mejorarse enormemente.

Para EHT, los ocho telescopios participantes se resumían en una antena de radio virtual tan grande como la Tierra, con la capacidad de resolver un objeto en 20 micro-segundos, aproximadamente 3 millones de veces más nítido que la visión 20/20. Por una feliz coincidencia, esa es la precisión requerida para ver un agujero negro, según las ecuaciones de Einstein.

“La naturaleza fue amable con nosotros, y nos dio algo lo suficientemente grande como para verlo usando equipos y técnicas de última generación”, dice Crew, co-líder del grupo de trabajo de correlación de EHT y del equipo del VLBI del Observatorio ALMA.

“Montones de datos”

El 5 de abril de 2017, el EHT comenzó a observar el M87. Después de consultar numerosos pronósticos del tiempo, los astrónomos identificaron cuatro noches que producirían condiciones claras para los ocho observatorios – una rara oportunidad, durante la cual podrían trabajar como un plato colectivo para observar el agujero negro.

En radioastronomía, los telescopios detectan ondas de radio, en frecuencias que registran los fotones entrantes como una onda, con una amplitud y una fase que se mide como un voltaje. Como observaron M87, cada telescopio tomó corrientes de datos en forma de voltajes, representados como números digitales.

“Estamos grabando montones de datos, petabytes de datos para cada estación”, dice Crew.

En total, cada telescopio tomó aproximadamente un petabyte de datos, equivalente a 1 millón de gigabytes. Cada estación registró esta enorme afluencia en varias unidades Mark6, registradores de datos ultrarrápidos desarrollados originalmente en el Haystack Observatory.

Después de que terminó la carrera de observación, los investigadores de cada estación empacaron la pila de discos duros y los llevaron por FedEx al Haystack Observatory, en Massachusetts, y al Max Planck Institute for Radio Astronomy, en Alemania. (El transporte aéreo era mucho más rápido que la transmisión electrónica de los datos.) En ambos lugares, los datos se reproducían en un superordenador altamente especializado llamado correlador, que procesaba los datos en dos secuencias a la vez.

Como cada telescopio ocupa un lugar diferente en la antena parabólica virtual del EHT, tiene una vista ligeramente diferente del objeto de interés, en este caso, M87. Los datos recibidos por dos telescopios separados pueden codificar una señal similar del agujero negro, pero también contienen ruido específico de los respectivos telescopios.

El correlador alinea los datos de todos los pares posibles de los ocho telescopios del EHT. De estas comparaciones, matemáticamente elimina el ruido y escoge la señal del agujero negro. Relojes atómicos de alta precisión instalados en todos los datos de entrada de los telescopios, lo que permite a los analistas hacer coincidir los flujos de datos después del hecho.

“Una de las cosas en las que Haystack se especializa es en alinear con precisión los flujos de datos y tener en cuenta todo tipo de perturbaciones sutiles en el tiempo”, dice Colin Lonsdale, director de Haystack y vicepresidente de la junta directiva de EHT.

Los equipos de Haystack y Max Planck iniciaron entonces el meticuloso proceso de “correlación” de los datos, identificando una serie de problemas en los diferentes telescopios, solucionándolos y repitiendo la correlación, hasta que los datos pudieron ser rigurosamente verificados. Sólo entonces se entregaron los datos a cuatro equipos distintos de todo el mundo, cada uno de los cuales tenía la tarea de generar una imagen a partir de los datos utilizando técnicas independientes.

“Era la segunda semana de junio, y recuerdo que no dormí la noche anterior a la publicación de los datos, para estar seguro de que estaba preparado”, dice Kazunori Akiyama, co-líder del grupo de imágenes EHT y postdoctoral que trabaja en Haystack.

Los cuatro equipos de imagenología probaron previamente sus algoritmos en otros objetos astrofísicos, asegurándose de que sus técnicas produjeran una representación visual precisa de los datos de radio. Cuando los archivos fueron liberados, Akiyama y sus colegas inmediatamente pasaron los datos a través de sus respectivos algoritmos. Es importante destacar que cada equipo lo hizo independientemente de los demás, para evitar cualquier sesgo del grupo en los resultados.

“La primera imagen que nuestro grupo produjo fue un poco desordenada, pero vimos esta emisión en forma de anillo, y yo estaba muy emocionada en ese momento”, recuerda Akiyama. “Pero al mismo tiempo me preocupaba que yo fuera la única persona que recibiera esa imagen de agujero negro.”

Su preocupación fue de corta duración. Poco después, los cuatro equipos se reunieron en la Iniciativa del Agujero Negro de la Universidad de Harvard para comparar imágenes y descubrieron, con cierto alivio y muchos aplausos y aplausos, que todos producían la misma estructura en forma de anillo, sesgada, las primeras imágenes directas de un agujero negro.

“Ha habido formas de encontrar firmas de agujeros negros en astronomía, pero esta es la primera vez que alguien toma una foto de uno”, dice Crew. “Este es un momento decisivo.”

“Una nueva era”

La idea del EHT fue concebida a principios de los años 2000 por Sheperd Doeleman, quien dirigía un programa pionero de VLBI en el Haystack Observatory y ahora dirige el proyecto EHT como astrónomo en el Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. En ese momento, los ingenieros de Haystack estaban desarrollando los back-ends digitales, grabadores y correlacionadores que podían procesar los enormes flujos de datos que recibiría un conjunto de telescopios dispares.

“El concepto de visualizar un agujero negro ha existido durante décadas”, dice Lonsdale. “Pero fue realmente el desarrollo de los sistemas digitales modernos lo que hizo que la gente pensara en la radioastronomía como una forma de hacerlo. Se estaban construyendo más telescopios en las cimas de las montañas, y poco a poco nos dimos cuenta de que, oye,[imaginar un agujero negro] no es una locura absoluta”.

En 2007, el equipo de Doeleman puso a prueba el concepto EHT, instalando las grabadoras de Haystack en tres radiotelescopios muy dispersos y apuntándolas juntas a Sagitario A*, el agujero negro en el centro de nuestra propia galaxia.

“No teníamos suficientes platos para hacer una imagen”, recuerda Fish, co-líder del grupo de trabajo de operaciones científicas de EHT. “Pero pudimos ver que había algo que era del tamaño correcto.”

Hoy en día, el EHT ha crecido hasta tener una serie de 11 observatorios: ALMA, APEX, el Telescopio de Groenlandia, el Telescopio IRAM de 30 metros, el Observatorio IRAM NOEMA, el Telescopio Kitt Peak, el Telescopio James Clerk Maxwell, el Gran Telescopio Milimétrico Alfonso Serrano, el Conjunto Submilimétrico, el Telescopio Submilimétrico y el Telescopio del Polo Sur.

La coordinación de las observaciones y análisis ha involucrado a más de 200 científicos de todo el mundo que forman parte de la colaboración de EHT, con 13 instituciones principales, incluyendo el Observatorio Haystack. La Fundación Nacional para la Ciencia, el Consejo Europeo de Investigación y los organismos de financiación de Asia oriental, entre ellos la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia, aportaron los principales fondos. Los telescopios que contribuyeron a este resultado fueron ALMA, APEX, el telescopio IRAM de 30 metros, el James Clerk Maxwell Telescope, el Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano, el Submillimeter Array, el Submillimeter Telescope y el South Pole Telescope.

Más observatorios están programados para unirse al conjunto EHT, para agudizar la imagen del M87, así como para intentar ver a través de los

Sé el primero en comentar

Dejar una contestacion