Revelan la primera imagen de un agujero negro

A más de 50 millones de años luz de distancia, en el corazón de una galaxia elíptica llamada Messier 87, una bestia gigantesca está devorando todo lo que se acerca demasiado. Estrellas, planetas, gas y polvo. Ni siquiera la luz se escapa a las garras de este monstruo una vez que cruza un umbral conocido como horizonte de eventos (u horizonte de sucesos).

Hoy, los científicos revelaron una imagen de ese objeto, un agujero negro supermasivo que contiene la misma masa que 6.500 millones de soles. Parecido a un vacío circular rodeado por un anillo de luz asimétrico, esta imagen histórica es la primera visión del mundo de la silueta de un agujero negro, una imagen que se arrastra hasta el borde ineludible de las fauces del agujero negro.

La nueva imagen es el extraordinario logro del projecto Event Horizon Telescope (o el Telescopio del Horizonte de Sucesos), una colaboración global de más de 200 científicos que utilizan una serie de observatorios repartidos por todo el mundo, desde Hawai hasta el Polo Sur. Combinada, esta matriz actúa como un telescopio del tamaño de la Tierra, y fue capaz de recopilar más de un petabyte de datos mientras contemplaba el agujero negro de M87 en abril de 2017. Luego, a los científicos les tomó dos años armar la captura de la foto.

Antes, los seres humanos sólo podían ver evidencia indirecta de que los agujeros negros incluso existían al buscar estrellas que parecían orbitar objetos extraños, al capturar la radiación de la materia sobrecalentada que rodaba sobre ellos, o al ver los chorros de partículas extremadamente energéticos lanzados desde sus entornos tumultuosos.

"Hemos estado estudiando los agujeros negros durante tanto tiempo que a veces es fácil olvidar que ninguno de nosotros ha visto uno", dijo hoy el director de la Fundación Nacional de Ciencia, France Cordova, durante una conferencia de prensa que anunció el logro del equipo, celebrada en el Club Nacional de Prensa en Washington D.C.

"Estamos encantados de poder informarles hoy de que hemos visto lo que pensábamos que no se veía", agregó el director del proyecto, Shep Doeleman, del Instituto Harvard-Smithsonian de Astrofísica. "Lo que estás viendo es evidencia de un horizonte de eventos... ahora tenemos evidencia visual de un agujero negro".

Seis artículos publicados hoy en la revista Astrophysical Journal Letters describen el tour de force de observación, el proceso para lograrlo y los detalles que revela la imagen. Una de las principales conclusiones es un cálculo más directo de la masa del agujero negro, que sigue de cerca las estimaciones derivadas del movimiento de las estrellas en órbita. Los datos también ofrecen algunos consejos sobre cómo algunos agujeros negros supermasivos logran liberar chorros gigantescos de partículas que viajan a una velocidad cercana a la de la luz.

"Es realmente notable, es casi humillante de cierta manera", dice Doeleman. "La naturaleza ha conspirado para dejarnos ver algo que pensamos que era invisible".

Naranja en la luna

El Event Horizon Telescope inicialmente se dispuso a capturar una imagen del agujero negro supermasivo en el centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea. Llamado Sagitario A *, ese agujero negro es relativamente insignificante en comparación con M87, que contiene la masa de sólo cuatro millones de soles. Debido a que M87 es uno de los agujeros negros más grandes y cercanos, el equipo también decidió apuntar el telescopio allí, con la esperanza de comparar ambos.

Observar el corazón de nuestra galaxia resultó ser un poco más complicado que mirar hacia abajo en el barril de un agujero negro en el siguiente cúmulo de galaxias, por lo que el retrato de M87 es el primero.

En lugar de ser una simple foto instantánea, como muchas de las fotos espectaculares tomadas por el Telescopio Espacial Hubble, la imagen del TEH es el producto de un proceso llamado interferometría, que combina observaciones de múltiples telescopios en una sola imagen. Cuando los platos separados observan simultáneamente el mismo objetivo, los científicos pueden recopilar las observaciones y "ver" un objeto como si estuvieran usando un plato gigante que se extiende por la distancia entre esos telescopios.

Para resolver estos agujeros negros supermasivos, que son pequeños en comparación con sus galaxias circundantes, el consorcio necesitaba aprovechar el poder de los radiotelescopios en todo el planeta. Al final, seis observatorios en México, Hawái, Arizona, Chile y España apuntaron sus ojos al cielo y observaron M87, que es la galaxia más grande en el centro del cúmulo de Virgo. Funcionando como un telescopio del tamaño de la Tierra, la red puede resolver objetos de solo diez milésimas del tamaño angular de lo que puede ver el Hubble.

"Lo que estamos tratando de imaginar es realmente muy pequeño en el cielo", dice Katie Bouman de Caltech, miembro del equipo de imágenes de TEH. "Es del mismo tamaño que si estuvieras tratando de tomar una fotografía de una naranja en la luna", agrega.

Durante varios días, el equipo observó M87 en longitudes de onda de radio cortas, ya que las ondas de radio pueden perforar las oscuras capas de polvo y gas que rodean los centros galácticos. Durante esa ejecución de observación, que también incluía objetivos distintos de M87, el equipo recopiló tanta información (cinco petabytes) que la única forma razonable de transferirla fue enviando los discos duros reales, en lugar de enviarlos digitalmente.

"Cinco petabytes son muchos datos", dice el miembro del equipo Dan Marrone de la Universidad de Arizona. "Es equivalente a 5.000 años de archivos MP3, o según un estudio que leí, toda la colección de selfie durante una vida de 40.000 personas".

Después, dado que combinar observaciones de diferentes observatorios no es una tarea sencilla, cuatro equipos procesaron los datos de forma independiente, utilizando diferentes algoritmos y probándolos con diferentes modelos. Al final, las imágenes que produjo cada equipo fueron muy similares, lo que sugiere que las observaciones son sólidas y que la foto instantánea final es la más precisa posible. Sin duda, parece casi indistinguible de las simulaciones que el equipo había producido en los años previos a su lanzamiento.

"Es casi aterrador como predijimos", dice Sera Markoff, miembro del equipo de TEH de la Universidad de Ámsterdam. "Seguí levántandolo de mi teléfono en horas extrañas y mirándolo".

Pronto, el equipo planea compartir una imagen del agujero negro supermasivo más cercano y querido a la Tierra, pero solo porque Sagitario A * se encuentra más cerca, no esperes que la imagen se vea mucho más nítida que la que ya tienen.

"El M87 está unas dos mil veces más lejos, pero su agujero negro es unas dos mil veces más grande", dice Lord Martin Rees, de la Universidad de Cambridge, que es el astrónomo real del Reino Unido. "Son del mismo tamaño angular en el cielo".

6,5 mil millones de soles

Con la imagen en la mano, los científicos ahora pueden comenzar a explorar algunos de los misterios más profundos de la física de los agujeros negros, incluida la confirmación de sus fundamentos básicos.

"Lo que realmente nos gustaría saber de estas observaciones es, ¿son realmente las propiedades de estos agujeros negros lo que esperamos si Einstein tiene razón?" Dice Rees

Hasta ahora, parece que Einstein tenía razón, más o menos. Aunque el famoso físico era escéptico de que incluso existieran agujeros negros, las soluciones a sus ecuaciones para la teoría general de la relatividad, que publicó en 1915, predijeron que si los objetos extra-masivos poblaban el universo, deberían ser esféricos, pareciéndose a una sombra oscura. Embebido en un anillo de luz.

La imagen del M87 coincide con esa predicción, aunque el anillo de luz es un poco irregular, por lo que parece una dona abultada. Aún así, eso es de esperar. La materia que gira alrededor de un agujero negro forma un disco brillante y como parte de ese disco se está moviendo hacia nosotros, hace que parte del círculo sea un poco más brillante.

"Todo se está moviendo, por lo que una parte de ella debe ser transmitida hacia ti, ¡esto es lo que se equivocaron en Interstellar !" Markoff dice, refiriéndose a la representación del artista de un agujero negro supermasivo en la película de 2014.

"Hay algo muy conflictivo al observar esta imagen y darte cuenta de que estás mirando el pozo en el espacio-tiempo", agrega.

Basado en el horizonte de eventos de M87, el equipo también midió su masa en aproximadamente 6,5 mil millones de soles, ubicándolo bien dentro de las estimaciones indirectas derivadas de los movimientos de las estrellas en órbita. Sin embargo, problemáticamente, la estimación de masa es mucho mayor que la cantidad derivada del movimiento del gas en órbita, que es la técnica más fácil y más comúnmente utilizada cuando se trata de pesar un agujero negro. Pero si ese método no funciona exactamente, es hora de que los científicos descubran por qué.

"Estamos ampliando los tipos de galaxias que podemos alcanzar con la dinámica de los gases, por lo que probablemente sea un momento realmente crítico para calibrar adecuadamente la técnica", dice la astrofísica Jenny Greene de la Universidad de Princeton.

Pero mientras los nuevos datos ayudan a descubrir la masa del agujero negro, es un poco más complicado para el equipo decir exactamente hasta dónde se extiende el horizonte de eventos de M87. Así como las sombras o las siluetas a menudo tienen bordes difusos, también lo hace el círculo oscuro en la nueva imagen. Su ancho exacto depende de una serie de parámetros que aún no se conocen, como la velocidad del giro del agujero negro y su orientación exacta en el espacio.

Es probable que si el agujero negro estuviera estacionado en nuestro sistema solar, su horizonte de eventos se extienda más allá de la órbita de Plutón, quizás extendiendo más de 120 veces la distancia de la Tierra al sol.

Curiosamente, eso significa que puedes caminar directamente a través del horizonte de eventos de M87 y ni siquiera sentirlo: el agujero negro es tan grande que el espacio-tiempo apenas está curvado en este punto. Allí, la fuerza de la inmensa gravedad de M87 sería la misma en todo el cuerpo, desde la cabeza hasta los dedos de los pies. Pero a medida que se acercaba, la curvatura se intensificaría hasta que finalmente se rompa en hebras verticales y espaguetadas (definitivamente se daría cuenta de eso, y comenzaría a sentirse incómodo mucho antes).

Regulador

Nadie sabe realmente qué es, en todo caso, el núcleo de un agujero negro, llamado singularidad. Esta perforación en el tejido mismo del universo está rodeada por una extensión exótica y por una curva del espacio-tiempo de la que nada se escapa.

Sin embargo, la nueva imagen debería ayudar a los astrónomos que esperan entender más sobre el exterior del M87, especialmente sus fuentes de partículas extremadamente energéticas que viajan a casi la velocidad de la luz. Abarcando unos 4.900 años luz, la corriente visible de M87 es uno de los espectáculos más atractivos del universo cercano.

Un agujero negro que arroja materia al espacio puede sonar paradójico, dado que generalmente tienden a inhalar la materia, pero estos objetos exóticos no son nada si no son desconcertantes.

"Parece que son tan buenos para alejar el material (chorros, vientos y flujos de salida) como lo son al recolectar material", dice Daryl Haggard de la Universidad de McGill, señalando que los científicos realmente no tienen una idea clara de cómo los agujeros negros realmente funcionan.

Ver la interfaz entre la luz, la materia y el horizonte de eventos de M87 podría ayudar a los científicos a resolver este enigmático proceso. Múltiples observatorios dirigieron sus ojos al agujero negro y trataron de desenredar el motor detrás de su chorro, estudiándolo en longitudes de onda que abarcan el espectro electromagnético.

Dichas corrientes parecen originarse en el disco de materia que gira alrededor del horizonte de eventos, en una región llamada ergosfera, dice Markoff. Aquí, el espacio-tiempo nunca se detiene y está girando perpetuamente. Es un entorno caracterizado por líneas de campo magnético intenso, gases calentados a millones de grados y partículas que se desplazan casi de manera casi rápida. Las interacciones entre esos elementos en escalas microscópicas de alguna manera desencadenan el enorme poder contenido en los chorros.

Al comparar el chorro relativamente activo de M87 con las imágenes eventuales del agujero negro inactivo de nuestra propia galaxia, Markoff asegura: "Podemos comprender mejor el flujo y reflujo de la influencia de los agujeros negros en el largo curso de nuestra historia del universo".

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