Agujeros Negros

¿Cómo fue posible tomarle una foto a algo de lo que ni siquiera escapa la luz?

La primera fotografía de un agujero negro fue tomada gracias al trabajo conjunto de cientos de científicos en todo el mundo. Aquí le explicamos cómo fue posible capturar una imagen que, hasta hace tan solo diez años, creíamos imposible.

Estas fueron las imágenes que lograron tomarse del agujero negro M87.EHT

La primera fotografía de un agujero negro deja a muchos confundidos. ¿No se supone que nada, ni siquiera la luz, puede escapar de estos objetos? ¿es posible tomar la foto de algo que, por definición, es absolutamente invisible a los ojos humanos? Las dudas no son pequeñas y, para responderlas, primero hay que recordar algunos conceptos básicos de física.

Recordemos que la gravedad es una fuerza universal que afecta a todos los objetos con masa en el universo. Entre más masivo sea un objeto, más capacidad de atraer a otros objetos tendrá. Es decir: mayor será su campo gravitacional.

Uno de los objetos más masivos del cosmos son las estrellas gigantes rojas, que tienen de 10 a 25 veces más masa que el sol. Cuando estas estrellas mueren (cuando se le acaba la energía que genera las explosiones en su núcleo) se convierten en una enana blanca, un tipo de estrella con una gran cantidad de masa condensada en un minúsculo espacio. Esta enana blanca, si sigue disminuyendo en tamaño, se convierte en un agujero negro.

Los agujeros negros tienen un campo de gravitación tan poderoso que, cualquier cosa -incluida la luz- que se acerque demasiado a ellos, será tragado. Ese punto de no retorno es el llamado horizonte de sucesos. Por su pequeño tamaño, y por el hecho de que no podemos verlos con nuestros ojos, fotografiarlos se creía una misión imposible.

¿Si nunca los hemos visto, entonces cómo sabemos que existen?

Si bien jamás hemos “visto” un agujero negro, sí hemos podido observar la forma como se comportan los objetos que se encuentran cerca a uno. En el siguiente video, mire las trayectorias (las líneas de colores) que rodean el punto central, marcado con una estrella.

Lo que acaba de ver son 20 años de datos recogidos en el centro de nuestra galaxia, la Vía Lactea. Los objetos que hacen las trayectorias de colores son enormes estrellas que rodean al agujero negro Sagitario A.

Al observar cómo se mueven las estrellas cerca a este agujero negro, es posible ver cómo se altera su camino, y cómo, entre más cerca están, más rápido se mueven. Ninguna de estas estrellas llegó al horizonte de sucesos de Sagitario A. Si eso hubiera pasado, su línea simplemente habría desaparecido.

Pero hay otras formas de predecir dónde puede haber un agujero negro: a través de otros tipos de rayos, que por su frecuencia de onda no son visibles para nuestros ojos, pero son igual de reales, como los rayos X u ondas de radio. Los agujeros negros, al ser objetos con enorme energía colapsada, emiten grandes cantidades de energía que es posible medir con telescopio especiales.

Además, el gas (de estrellas y otros objetos espaciales) que cae hacia él se calienta a millones de grados y brilla. Ese brillo crea una iluminación de fondo que, como una linterna alumbrando de manera indirecta un objeto, crea una silueta oscura: la sombra del agujero negro. A partir de esta teoría (basada tanto el cálculos como en observaciones con telescopios) nació la idea de tomar la primera foto de un agujero negro.

Pero, ¿y la foto?

Después de recolectar datos indirectos sobre agujeros negros en el cosmos, los científicos se le midieron a la tarea de tratar de capturar un agujero negro. Llamaron al Proyecto Telescopio Horizonte de Sucesos(EHT por sus siglas en inglés): 14 centros de investigación y 200 científicos se involucraron en la misión. Ocho telescopios, desde el Polo Sur al Norte, pasando por Chile, Hawái y Alemania, conformarían el telescopio del tamaño de la Tierra.

El principal problema para lograr la foto es que estos objetos tienen gran masa, pero son muy pequeños y, además, están muy, muy lejos. Por ejemplo, el agujero M87, que fue el elegido para la primera fotografía, está en el centro del cúmulo de galaxias de Virgo, a 55 millones de años luz de la Tierra. A eso hay que añadirle que si bien es 6.500 millones de veces más masivo que el sol, su tamaño no es necesariamente mucho más grande.

(Puede leer: ¿Qué revela la primera imagen de un agujero negro?)

Con la tecnología que había disponible, “intentar ver este agujero negro es como si dejáramos un DVD sobre la superficie de la Luna y luego intentáramos tomarle una foto desde la Tierra con una cámara de alta resolución”, le dijo a Vox Dimitrios Psaltis, un astrofísico de la Universidad de Arizona. El Instituto de Tecnología de Massachussets (MIT) señaló en un comunicado que intentar ver este objeto es comointentar leer un mensaje de Whatsapp en un celular de Nueva York… desde una acera en París.

Por eso, el primer paso era diseñar software que permitiera a nuestros telescopios mejorar su resolución. Para lograrlo, el equipo desarrolló un software personalizado e instaló varios componentes de hardware nuevos en los ochos radiotelescopios que harían parte del proyecto. Entre estos nuevos componentes hay un maser de hidrógeno (un tipo de reloj atómico ultrapreciso), un conjunto de reformadores de datos de muy alta velocidad y un sistema de fibra óptica para el transporte.

Todas estas adecuaciones lograron que nuestros “ojos” en el universo alcanzaran la sensibilidad suficiente para, por ejemplo, ver desde la Tierra un cabello flotando en la Estación Espacial Internacional, escribieron en El País Jóse Luis Gómez y Antxon Alberdi, dos científicos españoles que hicieron parte de la investigación.

Después de instalar el sofisticado software y hardware, en abril de 2017,el equipo del Telescopio Horizonte de Sucesos se conectó y todos apuntaron sus enormes radio telescopios hacia el M87. Durante días, los computadores recopilaron enormes cantidades de datos.

La información fue tanta que los científicos se dieron cuenta de que sería más fácil y rápido llevar los discos duros con la información en aviones a los dos puntos donde sería analizada, que enviarlos a través de internet. Así, millones y millones de teras de información volaron hacia dos laboratorios: el Instituto Max Palanck, en Bonn (Alemania), y el Observatorio Haystack del MIT, en Massachusetts (Estados Unidos).

Allí comenzó la ardua labor de tejer los datos, conectarlos para crear una sola imagen. Algo así como si un teléfono celular, en lugar de arrojarle una selfie cuando se toma una foto, le arrojara un montón de datos y algoritmos que luego hay que convertir en pixeles y más tarde unir entre ellas como un rompecabezas.

Dos años se tardaron en ese proceso, y el resultado fueron las imágenes que compartieron esta mañana los miembros del EHT.

“Por definición, un agujero negro no puede verse. Y nunca se podrá ver. Pero sabemos que el disco de acreción -la materia que rodea el agujero negro y que comprende gas extremadamente caliente y restos de estrellas descompuestas por el entorno gravitacional- es relativamente brillante. Esta materia puede ser detectada antes de ser engullida por el agujero negro. La idea era pues observar el agujero negro por contraste”, dijo a AFP Frédéric Gueth, director adjunto del Instituto de Radioastronomía Milimétrica de Europa, que participó en el proyecto.

“Lo que vemos en la imagen es la sombra del punto de 'no retorno' (bautizada horizonte de los sucesos) de un agujero negro sobre el disco de acreción brillante”.

"Sin la colaboración entre científicos no existiría la imagen de un agujero negro"

Para lograr la primera imagen de un agujero negro, en la galaxia lejana de Messier 87, a 55 millones de años luz de nuestro planeta, fue necesaria la colaboración de ocho centros científicos del mundo. France Córdova, directora de la Fundación Nacional de Ciencia de Estados Unidos (la institución que coordinó el proyecto) dijo que sin la colaboración de 200 investigadores, la imagen no sería posible.

Los telescopios de todo el mundo, incluido ALMA en Atacama, Chile, se unieron para crear el Telescopio Horizon del Evento, una radio virtual casi tan grande como la Tierra.ALMA

Hoy cambió la astrofísica para siempre. Desde la Fundación Nacional de Ciencia (Science National Foundation-NFS), se hizo una rueda de prensa simultánea en 8 países en donde se reveló al mundo la primera imagen de un agujero negro.

Los agujeros negros supermasivos, situados en el centro de las galaxias, se hacen visibles arrojando chorros brillantes de partículas cargadas o lanzando o arrancando estrellas cercanas. De cerca, estos gigantes están rodeados por brillantes discos. Pero debido a que la gravedad extrema de un agujero negro evita que la luz se escape, los corazones oscuros de estos pesados y misteriosos objetos permanecen completamente invisibles.

¿Cómo fue que los científicos pudieron "ver" el agujero negro de la galaxia lejana de Messier 87, a 55 millones de años luz de nuestro planeta?

Afortunadamente, hay una manera de "ver" un agujero negro sin mirar hacia el abismo. Los telescopios pueden buscar, en cambio, la silueta del horizonte de eventos de un agujero negro, el perímetro dentro del cual no se puede ver ni escapar nada, contra su disco de acreción. Eso es lo que hizo el Event Horizon Telescope, o EHT, en abril de 2017, recolectando datos que ahora han dado la primera imagen de un agujero negro supermasivo, el que está dentro de la galaxia M87.

El Event Horizon Telescope está integrado por ocho grandes radio satélites que conectados, hacen que la tierra se convierta en una especie de gran telescopio: el SMT (Arizona) SMA (Hawaii) JCMT (Hawaii) APEX (Chile) ALMA (Chile) SPT (Antártida) IRAM (España) y LMT (México). La información que recolectan entre todos es tan exacta que solo se “salta” una foto por cada segundo de cada 10 millones de años.

Gracias al trabajo de 200 investigadores, se lograron enlazar los datos de todos los satélites con una técnica llamada interferometría de línea de base, que combina ondas de radio vistas por muchos telescopios a la vez, de modo que los telescopios funcionan juntos como un plato gigante. Según Science News, el diámetro de ese plato virtual cubre la distancia desde el Polo Sur a España.

"Todas las mañanas, hay un frenético conjunto de llamadas telefónicas y análisis de datos meteorológicos y preparación para el telescopio, y luego tomamos una decisión de ir o no ir para la observación de la noche", dice el astrónomo Geoffrey Bower del Instituto de Astronomía y Astrofísica de la Academia Sínica en Hawaii, a Science News. Los datos recolectados equivalen a 5 pentabytes, casi 2.000 discos duros de 1 terabyte a máxima capacidad.

Una vez tenían los datos, los investigadores debieron registrar los tiempos de sus datos con una precisión exacta. Para eso, utilizan relojes atómicos de hidrógeno maser, que pierden alrededor de un segundo cada 100 millones de años.

Hay una gran cantidad de datos para marcar el tiempo. "En nuestro último experimento, registramos datos a una velocidad de 64 gigabits por segundo, lo cual es aproximadamente 1,000 veces [más rápido que] la conexión a Internet de su hogar", dice Bower.

Estos datos luego se transfieren al MIT Haystack Observatory y al Instituto Max Planck de Radioastronomía en Bonn, Alemania, para procesarlos en un tipo especial de supercomputador llamado correlador. Pero cada estación de telescopio acumula cientos de terabytes de información durante una sola campaña de observación, demasiado para enviar a través de Internet. Así que los investigadores usan la siguiente mejor opción: el correo postal. La colaboración entre los 200 investigadores hizo posible la imagen sin precedentes que conocemos hoy.

La directora de la Fundación Nacional de Ciencia (Science National Foundation-NFS), France Córdova, escribió esta carta en el blog de la NFS para resaltar la importancia del trabajo colaborativo entre científicos de todo el mundo para este anuncio científico:

"La colaboración y la innovación llevaron a la primera imagen de un agujero negro: Hoy, el Proyecto del telescopio Event Horizon anunció que capturó la primera imagen de un agujero negro, un logro que inspirará a la gente en todas partes y mejorará nuestra comprensión de estos misteriosos fenómenos astrofísicos.

Como astrofísico, este es un día emocionante para mí. Los agujeros negros han cautivado la imaginación de los científicos y el público durante décadas. De hecho, hemos estado estudiando los agujeros negros durante tanto tiempo que a veces es fácil olvidar que ninguno de nosotros realmente ha visto uno.

Sí, tenemos simulaciones e ilustraciones. Gracias a los instrumentos respaldados por la National Science Foundation, hemos detectado ondas gravitacionales provenientes de la fusión de agujeros negros a través del Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferómetro Láser, o LIGO. El año pasado, nuestras instalaciones de IceCube Neutrino en el Polo Sur detectaron un solo neutrino cósmico de alta energía, junto con satélites para señalar su punto de origen: un blazar, que es un núcleo galáctico alimentado por un agujero negro supermasivo con chorros intensos.

Pero nunca hemos visto realmente el horizonte de eventos, ese punto de no retorno después del cual nada, ni siquiera la luz, puede escapar de un agujero negro.

¿Cómo llegamos a este gran avance? A través de la imaginación y dedicación de científicos de todo el mundo dispuestos a colaborar para lograr un gran objetivo. A través de una gran piscina de instalaciones internacionales. Y a través de compromisos financieros a largo plazo por parte de NSF y otros financiadores dispuestos a arriesgarse en la búsqueda de una enorme recompensa potencial. El proyecto Event Horizon hubiera sido imposible sin la cooperación internacional entre las instalaciones, las contribuciones de docenas de científicos e ingenieros y el financiamiento sostenido.

Ningún telescopio en la Tierra tiene la nitidez para crear una imagen sin borrosas y definitivas del horizonte de eventos de un agujero negro. Entonces, este equipo hizo lo que hacen todos los buenos investigadores: innovaron.

Hace más de cinco décadas, otros investigadores financiados por NSF ayudaron a liderar el desarrollo de la Interferometría de Línea de Base Muy Larga, que aumenta las capacidades de los telescopios al vincularlos. Este equipo llevó ese concepto a una escala global, conectando telescopios para crear una matriz virtual del tamaño de la Tierra misma. Esta fue una tarea hercúlea que implicó superar numerosas dificultades técnicas.

Fue un objetivo tan notable que NSF ha invertido más de $ 30 millones a lo largo de una década, junto con muchas otras agencias en nuestro apoyo, a medida que estos investigadores convirtieron su idea en realidad.

Al contemplar el vacío por primera vez, una cosa que espero que resuene es que este es el futuro de la astronomía, de todos los campos científicos. El Proyecto Event Horizon demuestra que necesitamos más colaboración, más convergencia y más recursos compartidos para construir instrumentos y encontrar nuevas aplicaciones para las que ya tenemos. Trabajando juntos, podemos continuar explorando el universo y enfrentar y resolver más de sus misterios".

Se espera que las observaciones de los agujeros negros de EHT ayuden a responder preguntas como la forma en que algunos agujeros negros supermasivos, incluidos los M87, lanzan tales chorros de plasma brillante (SN Online: 3/29/19). La comprensión de cómo cae el gas y cómo se alimenta a los agujeros negros también podría ayudar a resolver el misterio de cómo algunos agujeros negros crecieron tan rápidamente en el universo temprano, dice Loeb (SN Online: 3/16/18).

Así imaginábamos los agujeros negros

Hoy se reveló la primera imagen de un agujero negro en el centro de la galaxia M87, a 55 millones de años luz de nuestro planeta. Esta es la prueba más directa hasta el momento de la existencia de los agujeros negros y su papel en las galaxias. ¿Cómo el cine y la ciencia ficción veían los agujeros negros antes de la revelación de la imagen?

La película Interstellar, dirigida por Cristopher Nolan, creó la ilusión de un agujero negro con la ayuda del matemático Kith Thorne. Warner Bros., Paramount Pictures y Legendary Pictures.

El Event Horizon Telescope (EHT), un conjunto a escala planetaria de ocho radiotelescopios terrestres forjados a través de la colaboración internacional, fue diseñado para capturar imágenes de un agujero negro. Hoy, en conferencias de prensa coordinadas en todo el mundo, los investigadores de EHT revelan que han tenido éxito, revelando la primera evidencia visual directa de un agujero negro supermasivo y su sombra.

"Hemos tomado la primera imagen de un agujero negro", dijo el director del proyecto EHT, Sheperd Doeleman, en un comunicado de prensa. "Esta es una hazaña científica extraordinaria realizada por un equipo de más de 200 investigadores".

La imagen revela la cara sombría de un agujero negro supermasivo de 6.500 millones de masas solares en el núcleo de Messier 87 (M87), una gran galaxia a unos 55 millones de años luz de la Tierra en el cúmulo de galaxias de Virgo.

Por su invisibilidad, su fuerza destructora y su misteriosa razón de ser, los agujeros negros se han hecho un lugar en el imaginario colectivo, como lo demuestran los filmes "Interstellar" y "El abismo negro", así como la célebre obra "Historia del tiempo", de Stephen Hawking.(Histórico: publican la primera imagen de un agujero negro)

Foto revelada hoy por el proyecto EHT.

"El agujero negro es el gran desconocido que reagrupa todos los extremos, desafiando incluso la imaginación, y por lo tanto fascinan", explica a la AFP la youtubera francesa Florence Porcel, dedicada a la divulgación científica.

Como nada puede escapar a los agujeros negros, ni la materia ni la luz, estos son invisibles. Pero también están extremadamente lejos, por lo que solo serían accesibles mediante un viaje interestelar, un tema reservado por ahora a la ciencia ficción.

"¡El misterio crea emoción!", afirma Brigitte David, del Planetario de París, donde la película "Agujeros negros" es de lejos la que suscita más preguntas entre los espectadores.

Y la magia permanecerá todavía mucho tiempo, puesto que si bien se puede realizar una simulación visual del agujero negro visto desde el exterior, "lo que está detrás son cosas muy complicadas que todavía no se han resuelto", asegura el astrofísico francés Jean-Pierre Luminet, autor de varios libros sobre esta materia.

"El abismo negro", filme de Disney estrenado en 1979, es una "versión muy de 'parque de atracciones' sobre los agujeros negros, pero tuvo el mérito de popularizarlos entre las generaciones que lo vieron", explica Philippe Guedj, periodista del sitio francés PointPop.