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Un anillo de fuego, la primera foto de un agujero negro

En días como hoy y con noticias como esta, hay que recurrir al tópico: una imagen vale más que mil palabras. Y aquí está:

Imagen del agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia M87 resuelta por la red Event Horizon Telescope.

Imagen del agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia M87 resuelta por la red Event Horizon Telescope.

Este anillo de fuego es la primera fotografía de un agujero negro, un monstruo de 6.500 millones de veces la masa de nuestro Sol, situado a 55 millones de años luz, en el centro de la galaxia gigante M87. Este logro histórico, presentado hoy en varias ruedas de prensa simultáneas, se ha conquistado gracias a la participación de más de 200 científicos y ocho radioobservatorios dispersos por todo el mundo; solo uno de ellos en Europa, la antena de 30 metros situada en el pico Veleta de Sierra Nevada (Granada) y operada por el Institut de Radioastronomie Millimétrique, una colaboración franco-germano-española.

Esta red de observatorios forma el Event Horizon Telescope (EHT), un telescopio virtual del tamaño de todo el planeta que ha conseguido lo que de otro modo solo podría haberse logrado con un gran telescopio espacial que hoy ni siquiera existe. Según los expertos, la idea de crear la red del EHT ha robado décadas al progreso en el conocimiento de los agujeros negros. La resolución alcanzada por esta red global es equivalente, según los investigadores, a la que permitiría leer un periódico en Nueva York desde un café de París.

En realidad, la imagen es una representación visual de una reconstrucción; en este caso no se trata simplemente de mirar por un telescopio y tomar una foto. Lo que se ve es la emisión luminosa del disco de acreción –el centro lo ocupa la sombra del propio agujero negro, unas 2,5 veces mayor que su límite externo– en todo el espectro electromagnético, desde las ondas de radio a los rayos gamma, a partir de los datos recogidos por los ocho observatorios, sincronizados por relojes atómicos para trabajar en secuencia en función de la rotación terrestre. Los petabytes de datos recogidos se transportaron en unos 1.000 discos duros hasta el Instituto Max Planck en Bonn (Alemania) y el observatorio Haystack del MIT (EEUU), donde las supercomputadoras aplicaron novedosos algoritmos para producir el resultado final.

Finalmente el primer éxito del EHT ha sido una imagen de un agujero negro, no de nuestro agujero negro; Sagitario A*, en el centro de la Vía Láctea. Hay poderosas razones para que el de M87 haya sido un objetivo más asequible: a pesar de su mayor distancia, su tamaño es inmensamente más masivo; el diámetro del disco de acreción observado en la imagen se estima en 0,39 años luz, más o menos la undécima parte de la distancia del Sol al sistema estelar más próximo, Alfa Centauri.

Pero sobre todo, la línea visual al centro de M87 es relativamente más limpia, mientras que para observar el corazón de la Vía Láctea es necesario abrirse paso a través de la densa nube de material en el plano de la galaxia. Los científicos del EHT confían en que la ampliación de la red de observatorios permita en el futuro obtener una imagen de Sagitario A* y mejorar la resolución del agujero negro de M87.

Los detalles de las investigaciones del EHT se describen en seis estudios publicados en un número especial de la revista The Astrophysical Journal Letters. Además de servir para estimar con más precisión la masa del agujero negro estudiado, las observaciones han confirmado las teorías y las simulaciones empleadas hasta ahora, incluyendo la estructura predicha por la relatividad general de Einstein, así como la asimetría en el brillo del disco debida al efecto Doppler que expliqué ayer (el disco gira a toda velocidad, y el lado más brillante corresponde a la parte que se acerca hacia nosotros).

En definitiva, lo que esta imagen representa en el avance de la investigación astronómica lo ha resumido el astrofísico Michael Kramer, del Instituto Max Planck: “Los libros de historia se dividirán entre los de antes de la imagen y después de la imagen”.

Mañana, ¿la primera foto de un agujero negro?

Mañana miércoles llegará por fin una de las noticias más esperadas en el mundo de la ciencia en los últimos años. Y no es una frase hecha: a un servidor le toca cada mes de enero escribir una previsión para algún medio sobre lo que nos deparará la investigación científica en el año que empieza, y desde 2017 ha figurado en esos pronósticos una noticia que finalmente se nos escapó durante los dos años pasados, y que por fin verá la luz mañana: la primera foto de un agujero negro.

Los agujeros negros, esos objetos de densidad tan inmensa que se tragan cuanto cae bajo su influjo gravitatorio, son uno de los fenómenos cósmicos más populares, a pesar de que hasta ahora jamás han sido vistos directamente; en realidad, nadie sabe con certeza qué aspecto tendrían si pudiéramos contemplarlos desde una distancia segura.

Simulación de un agujero negro creada por Jean-Pierre Luminet en 1979.

Simulación de un agujero negro creada por Jean-Pierre Luminet en 1979.

Las razones por las que nadie ha podido contemplar hasta ahora un agujero negro son de lo más trivial: están muy lejos y son, ejem, negros. Respecto a lo primero, el más cercano que se conoce es Sagitario A*, el agujero negro supermasivo que ocupa el centro de la galaxia, a unos 26.000 años luz de la Tierra. Pese a su masa equivalente a cuatro millones de soles, desde nuestra segura lejanía solo ocupa en el cielo el espacio de un punto diminuto.

En cuanto a lo segundo, vemos los objetos gracias a la luz que reflejan, pero los agujeros negros se la tragan. Sin embargo y aunque no podamos observarlos directamente porque no ofrecen ninguna imagen, sí es posible vislumbrar sus efectos. Por ejemplo, su enorme masa actúa como lente gravitatoria; es decir, deforma la luz de los objetos que se encuentran detrás desde nuestro punto de vista. Así, si pudiéramos acercarnos lo suficiente como para entrar en su órbita, contemplaríamos algo parecido a esta simulación construida en 2016 por el astrofísico francés Alain Riazuelo (y que, por cierto, recuerda a un salvapantallas de las antiguas versiones de Windows):

Pero esta fantasmagórica deformación de los objetos alrededor de una nada en movimiento no es lo único que puede observarse de un agujero negro. Su enorme masa convierte a estos objetos en sumideros cósmicos; y tal como el agua gira en espiral alrededor de un drenaje, un agujero negro puede formar a su alrededor un disco de acreción, compuesto por gases y polvo girando a velocidades cercanas a la de la luz. El calentamiento debido a la fricción de los materiales genera un plasma luminoso, que justo en la frontera del horizonte de sucesos –la distancia del agujero negro a la cual la radiación y la materia ya no pueden escapar– dibuja un anillo de luz donde los fotones describen círculos antes de ser tragados por el sumidero.

Durante décadas, los astrofísicos han formulado predicciones sobre el aspecto de esta “sombra”, donde la luz del horizonte de sucesos desaparece. La relatividad general de Einstein predice una forma circular, mientras que otras hipótesis han propuesto que podría tener una imagen más achatada.

En 1979, el matemático francés Jean-Pierre Luminet utilizó por primera vez un modelo computacional para simular el aspecto de un agujero negro con disco de acreción (el modelo de Riazuelo simula un agujero negro desnudo). Con los medios rudimentarios de la época, tuvo que dibujar a mano uno a uno todos los puntos que la computadora le iba indicando. Lo hizo sobre papel fotográfico de negativo, para que al positivarlo después se vieran como brillantes los puntos que él había dibujado, correspondientes a la luminosidad del disco de acreción. El resultado fue la imagen mostrada más arriba.

La imagen de Luminet muestra el disco de acreción visto desde una ligera altura con respecto a su plano. Para comprender lo que estamos viendo debemos entender que las extrañas propiedades del agujero negro nos ofrecen una imagen diferente a la real; el disco es simplemente un disco luminoso, tal cual. Pero mientras que en una imagen de Saturno los anillos desaparecen detrás del planeta, esto no ocurre en el agujero negro: debido a que actúa como lente gravitatoria, la deformación de la luz hace que veamos la parte posterior del disco por encima, como si se desbordara sobre él.

Por otra parte, el efecto Doppler –el mismo que hace cambiar la sirena de una ambulancia cuando pasa junto a nosotros– hace que se vea más luminosa la parte del disco que se acerca hacia nosotros, y más oscura la que se aleja; por eso lo vemos más brillante a un lado y más apagado al otro. Por último, hay que tener en cuenta que la imagen de Luminet muestra el espectro electromagnético completo, y no solo lo que observaríamos como luz visible.

Décadas más tarde, el físico Kip Thorne se basó en esta imagen de Luminet para crear su propia simulación, que sirvió como base para crear el agujero negro de la película de Christopher Nolan Interstellar. Sin embargo, los responsables de la producción optaron por una versión simplificada y estéticamente más llamativa, con una simetría que desprecia el efecto Doppler (la imagen estaría tomada desde el plano del disco de acreción):

Agujero negro retratado en la película 'Interstellar'. Imagen de Paramount Pictures.

Agujero negro retratado en la película ‘Interstellar’. Imagen de Paramount Pictures.

Como respuesta a esta licencia artística de la película, Thorne y sus colaboradores publicaron una versión más realista:

Simulación de un agujero negro creada por Kip Thorne y sus colaboradores. Imagen de James et al / Classical and Quantum Gravity.

Simulación de un agujero negro creada por Kip Thorne y sus colaboradores. Imagen de James et al / Classical and Quantum Gravity.

En 2007, tres radiotelescopios se unieron para resolver la estructura de Sagitario A*. Con el paso de los años, otros observatorios radioastronómicos se han sumado, creándose una red global llamada Event Horizon Telescope (EHT) cuyo objetivo es convertir la Tierra en un enorme ojo, un telescopio virtual global con la suficiente capacidad de resolución como para poder captar una imagen de Sagitario A*.

El trabajo ha sido titánico; el volumen de datos era tal que no podían transmitirse por internet, sino que debían transportarse en discos físicos por avión hasta las sedes centrales del proyecto en Bonn (Alemania) y el Instituto Tecnológico de Massachusetts.

Pero por fin y después de años de espera, mañana es el día: a las 3 de la tarde en horario peninsular español (13:00 en tiempo universal coordinado), los científicos del EHT darán a conocer los resultados del proyecto mediante siete ruedas de prensa simultáneas en distintos lugares del mundo, una de ellas en castellano desde Santiago de Chile. Si todo ha salido como se espera, será un hito en la historia de la ciencia. Y aquí se lo contaré.

Arranca la caza del agujero negro

Uno de los momentos científicos estelares previstos para este 2017 está a punto de comenzar: en una semana desde hoy, el equipo de investigadores del Event Horizon Telescope tratará de fotografiar un agujero negro por primera vez en la historia.

En realidad, ya tenemos imágenes de agujeros negros. Si miramos hacia el centro de nuestra galaxia, allí está Sagitario A*, un agujero negro con unas cuatro millones de veces la masa del Sol, pero cuyo radio (6.700 millones de kilómetros) es solo algo menos de 10.000 veces el de nuestra estrella.

Imagen de rayos X de Sagitario A* tomada por el observatorio Chandra. Imagen de NASA.

Imagen de rayos X de Sagitario A* tomada por el observatorio Chandra. Imagen de NASA.

Es precisamente esta inmensa densidad la que confiere a los agujeros negros sus propiedades peculiares, pero en realidad estos objetos son simplemente estrellas (o lo que queda de ellas) con una masa tan monstruosa que atraen hacia sí todo lo que cae en sus cercanías, incluyendo la luz; en concreto, todo lo que se acerca más allá de una frontera llamada horizonte de sucesos. Pueden imaginar un imán; hay que acercarlo a una determinada distancia de otro para que notemos la atracción entre ambos. Aplicado a la gravitación de los agujeros negros, ese límite sería el horizonte de sucesos.

Pero no, no miren al cielo. Desde la Tierra no podemos ver Sagitario A* porque su brillo se pierde en la neblina cósmica de los brazos en espiral de la Vía Láctea; es lo que los astrónomos llaman extinción interestelar. O dicho de forma más simple, no resplandece lo suficiente como para que podamos observarlo desde aquí. Pero los científicos sí han logrado fotografiar su potente emisión de ondas de radio. La radio también es luz, aunque no visible para nuestros ojos; sí para los radiotelescopios. Fruto de estas observaciones son imágenes como la que inserto a la derecha, tomada por el telescopio espacial de rayos X Chandra de la NASA.

En realidad habría que aclarar, para los puristas, que el nombre de Sagitario A* no designa exactamente un agujero negro. Este nombre se aplica a un objeto en el centro de la galaxia que emite una potente señal de ondas de radio. La hipótesis generalmente aceptada es que este objeto esconde en su interior un agujero negro supermasivo que no tiene un nombre particular, sobre todo porque su existencia no está demostrada. Pero incluso los propios astrónomos se refieren a él con el nombre de Sagitario A*, o Sgr A*.

Queda claro así que imágenes como la de arriba muestran el agujero negro, pero no: una foto de un huevo es una foto de un huevo, pero en realidad muestra solo la cáscara del huevo. Lo que los astrónomos se disponen a hacer ahora es ofrecernos una imagen de la clara y la yema. En este caso la yema es negra y no puede verse, pero los científicos confían en fotografiar el horizonte de sucesos gracias al Event Horizon Telescope (EHT).

El EHT no es un telescopio tal como lo entendemos, sino una red formada por varios radiotelescopios dispersos por todo el mundo, entre ellos el plato de 30 metros situado en el pico Veleta de Sierra Nevada y perteneciente al Institut de Radioastronomie Millimétrique (IRAM), una colaboración franco-germano-española participada por el Instituto Geográfico Nacional.

En la práctica, esta combinación de telescopios equivale a uno solo del tamaño de la Tierra, lo que puede ofrecer la resolución suficiente para distinguir el horizonte de sucesos del agujero negro. O al menos eso es lo que esperan los responsables del experimento; según una comparación que suelen citar, la resolución del EHT al observar Sgr A* equivaldrá a poder distinguir una uva sobre la superficie de la Luna.

A partir del próximo 5 de abril y hasta el 14, el consorcio del EHT va a tratar de obtener esa imagen. Los investigadores confían en distinguir el disco de polvo y gas que orbita en torno al agujero negro, y cuya luz dispersada estará distorsionada por la enorme masa del objeto. La imagen esperada será más bien la de algo parecido a una media luna, en lugar de un disco.

Tres versiones de la imagen del agujero negro para la película 'Interstellar' según Kip Thorne y sus colaboradores. La inferior es la más realista; la superior es más simplificada y próxima a lo que se mostró en la pantalla. Imagen de James et al, Classical and Quantum Gravity.

Tres versiones de la imagen del agujero negro para la película ‘Interstellar’ según Kip Thorne y sus colaboradores. La inferior es la más realista; la superior es más simplificada y próxima a lo que se mostró en la pantalla. Imagen de James et al, Classical and Quantum Gravity.

Una representación relativamente realista del aspecto que tendría un agujero negro para un observador cercano aparecía en la película de 2014 Interstellar. El director Christopher Nolan y el equipo de efectos visuales contaron con la colaboración del físico teórico Kip Thorne. En un estudio posterior, Thorne y sus colaboradores explicaron cómo habían diseñado la imagen del agujero negro. Aunque Nolan decidió modificar más que ligeramente el gráfico diseñado por Thorne para darle un aspecto más llamativo de cara al espectador, los científicos consideran que el de Interstellar es el retrato más fiel de un agujero negro mostrado hasta ahora en el cine.

El experimento del EHT no solo podrá confirmarlo, sino que haría algo de mucho más peso: proporcionar la primera prueba palpable de la existencia de los agujeros negros y de su estructura, pronosticada durante décadas por la teoría. De lograrse, será sin duda, imprevistos mediante, la imagen científica de este 2017, y una foto para la historia del conocimiento del cosmos.