Primera imagen en la historia de un agujero negro

Universo QB - Astronomía

​El miércoles 10 de abril el consorcio Event Horizon Telescope (EHT), confirmaba por primera vez la existencia de los agujeros negros con una imagen directa de estos desconcertantes cuerpos predichos por la teoría de la relatividad general de Albert Einstein hace un siglo.

Esto sin duda ha supuesto un momento histórico que ayudará a nuestra comprensión de los agujeros negros y ratifica por primera vez las predicciones de la teoría de la relatividad en las condiciones de gravedad extrema que supone un agujero negro supermasivo.
 
La información difundida corresponde concretamente al agujero negro central de la galaxia Messier 87 (M87) en el cercano cúmulo de galaxias Virgo, a una distancia de 55 millones de años luz, un objeto, con unas dimensiones difíciles de abarcar por la comprensión humana y que solo podemos definir como “monstruosas”, con una masa equivalente a 6.500 millones de soles.
 
Ejemplo de cooperación científica y participación española
 
Dada la magnitud de la noticia, así como el enorme equipo que ha participado con más de 200 expertos y la gran cantidad de recursos empleados para la histórica investigación, está  se anunció en seis ruedas de prensa simultáneas celebradas en Washington, Bruselas, Santiado de Chile, Shanghái, Taipei y Tokio resaltando así la gran labor de colaboración internacional que supone EHT. Además el gran hito aparece en una serie de seis artículos científicos publicados en una edición especial de la revista Astrophysical Journal Letters.
 
Podemos decir con orgullo que hemos participado en este importante proyecto, estando presentes con el radiotelescopio IRAM, de 30 metros, construido junto al Pico Veleta en Sierra Nevada, (Granada) uno de los siete que han formado parte del EHT y por ello en Madrid, el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) también organizó otra rueda de prensa para hablar de la participación española, donde han colaborado investigadores del Instituto de Astrofísica de Andalucía, del Instituto Geográfico Nacional, del Instituto de Radioastronomía Milimétrica y de la Universidad de Valencia.
 
EHT el mayor proyecto para la observación de agujeros negros
 
El consorcio EHT (iniciales en inglés de Telescopio del Horizonte de Sucesos, en referencia al punto de no retorno en los agujeros negros a partir del cual ya ni la luz puede escapar) ha estado durante años observando los dos agujeros negros que tienen un tamaño relativo más grande en el cielo cuando se observan desde nuestro planeta.
 
El primero de ellos (el que no corresponde a la imagen presentada) está en el centro de la Vía Láctea, la galaxia donde está nuestro sistema solar y tiene una masa 4,3 millones veces mayor que la del Sol pero comprimida en tan solo el diámetro de 30 soles.
 
Quizás eso nos pueda parecer algo “muy grande”, es decir 30 soles, pero para que nos hagamos una idea de la brutal compresión, estaríamos hablando de una concentración miles de veces superior a coger nuestro coche y prensarlo hasta meterlo en el tamaño de una canica o incluso una cabeza de alfiler!
 
Pues con todo, este agujero negro que tenemos en el centro de nuestra Vía Láctea es pequeño comparado con los que pueden haber en el centro de una gran galaxia, - lo que llamaríamos un “agujero negro supermasivo”. Y el más cercano a la Tierra, con estas características está a una distancia de 26.000 años luz.
 
Así pues, el del centro de la galaxia M87, -del cual se ha conseguido la primera imagen histórica- a diferencia del nuestro, es un auténtico “monstruo” con una masa, como ya hemos mencionado de 6.500 millones de soles frente a los 4,3 millones del situado en el centro de la galaxia, es decir resulta unas 1.500 veces más masivo que el de la Vía Láctea.
 
Su tamaño es tal, que aunque está 2.000 veces más lejos (55 millones de años-luz de nosotros), es tan enorme y sigue estando relativamente tan cerca de nosotros para el tamaño del universo conocido, que la galaxia M87 se puede ver con un simple telescopio para aficionado de los que se pueden adquirir en cualquier sitio, por lo que junto con la Vía Láctea era el candidato ideal para este estudio.
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​Distribución de la red de satélites del consorcio EHT. Imagen: IOP / ASS /The Astrophysical Journal Letters
 
Para hacernos una idea de la potencia necesaria para observar M87 desde la Tierra, podemos decir que sería como mirar desde la Luna una bola de billar desde la superficie de nuestro planeta.
 
Cuando observamos objetos muy distantes desde nuestra esfera azul pálido tenemos un grave obstáculo debido a un fenómeno físico llamado difracción, el cual hace que exista un límite en el tamaño de los objetos distantes que se pueden ver y que cuanto más pequeños o lejanos sean, obliga a que mayor sea el telescopio necesario (en este caso, digamos que hemos tenido que usar un telescopio del tamaño, nada más y nada menos que de ¡la Tierra!)
 
Como ha declarado Sheperd Doeleman, astrofísico de la Universidad de Harvard (EE.UU.) y director del consorcio EHT, aunque las imágenes presentadas este miércoles corresponden al agujero negro de M87, el de la Vía Láctea también “es muy interesante y complejo” por lo que están trabajando en él y pronto esperan tener resultados que presentar.
 
 
Con tal perspectiva de éxito el consorcio observó estos dos agujeros negros durante un periodo de diez noches en abril del año 2017 a través de una red de ocho radiotelescopios situados en ALMA (Chile), APEX (Chile), IRAM (Madrid. España), LMT (Gran Telescopio Milimétrico, México), SMT (Arizona, Estados Unidos), JCMT (Hawai, Estados Unidos), SMA (Hawai, Estados Unidos), SPT (Polo Sur)
 
Los equipos de estos centros, tras una titánica labor de coordinación y sincronización apuntaron al centro de la Vía Láctea y la galaxia M87 simultáneamente. Para conseguir tal precisión se emplearon relojes atómicos con el objetivo asegurar en la práctica que las mediciones realizadas equivaliesen a un único radiotelescopio con un diámetro equivalente al de la Tierra.
 
2 años analizando los datos
 
Tras la obtención de cantidades enormes de información tan solo durante unas  noches, ha sido necesario dos años de trabajo para analizar y corregir todos esos datos observados, comprenderlos y descartar los valores erróneos.
 
En este caso concreto, el equipo de EHT decidió detectar la luz que rodea al horizonte de sucesos en la longitud de onda de aproximadamente un milímetro.
 
Con dicha banda del espectro electromagnético la luz puede sortear con más facilidad los obstáculos de materia, gas y polvo en el larguísimo trayecto que separa el centro de la galaxia M87 hasta el Sistema Solar en la Vía Láctea.

​Ahora bien para poder observar el agujero negro en esa longitud de onda, hacía falta un radiotelescopio del tamaño de la Tierra, algo físicamente imposible, por lo que se creó la red de telescopios del EHT, para unificar de manera sincronizada los datos procedentes de las antenas situadas en todo el planeta mediante un proceso llamado interferometría.
Con la tecnología actual, cuantos más observatorios se añaden, incluso a más distancia, mejora la resolución de la zona a observar tras sincronizar las observaciones con relojes atómicos.
 
Los datos sumaban en total la desconcertante cifra de cuatro millones de gigabytes, que luego un superordenador procesó teniendo en cuenta la reproducción de los distintos telescopios y la diferencia horaria entre la llegada de las ondas electromagnéticas a cada uno. Una labor donde astrónomos, matemáticos o ingenieros han trabajado durante estos dos años.
 
Para garantizar la veracidad de los datos resultantes tres programas independientes de inteligencia artificial extrapolaron los datos inexistentes para generar la imagen más probable de concordar con la realidad.
 
Es más, tras hacer públicos los resultados, el trabajo no ha hecho más que comenzar, de cara al futuro, se va a continuar las observaciones directas de agujeros negros, ya que gracias a estas primeras imágenes se puede decir que ya prácticamente ha nacido un nuevo campo de investigación astronómica. 
 
La misma red del EHT no para de crecer y tan solo el año pasado se amplió con un noveno radiotelescopio situado en Groenlandia y este mismo año se ampliará con un décimo situado en Arizona.
 
Más adelante se pretende continuar las observaciones en el espacio diseñando un telescopio espacial que permita observar agujeros negros sin perder la información que se pierde por la interferencia de la atmósfera terrestre.
¿Qué estamos viendo realmente en las imágenes?
 
En las imágenes y animaciones ofrecidas en las ruedas de prensa que han dado la vuelta al mundo puede apreciarse un disco oscuro, -que sería el agujero negro, propiamente dicho-, rodeado por un “anillo de luz” que se aprecia más brillante en la parte inferior que en la superior y que correspondería a la zona del “horizonte de sucesos”
 
Dicho anillo rodea al horizonte de sucesos, es asimétrico y está en rotación girando a muy alta velocidad alrededor del agujero negro. En la región inferior, la luz se desplaza hacia el observador (es decir, hacía la tierra) y aparece más brillante, mientras que en la parte superior, la luz se aleja y aparece más tenue, lo cual  ha permitido determinar también que el agujero negro gira en sentido horario.
 
Todo esto comenzó cuando este agujero negro supermasivo M87 sorprendió a la comunidad científica al desvelarse que emitía un potente radiación que se extendía durante unos 5.000 años luz en ambos direcciones. Como un haz de materia que podrían ser partículas cargadas (protones y electrones) procedentes de regiones cercanas al centro de este. Así que no sería correcto decir que el agujero negro en sí esté emitiendo luz, sino que surge en su horizonte de sucesos.
 
Su tremenda relevancia radica en que hasta ahora, la existencia de estos objetos extremadamente densos se conocía solo por métodos indirectos, pero nunca se había observado uno, solo podían inferirse por alteraciones en el espacio cercanas a su supuesta localización.
 
Realmente lo que los investigadores han creado es la imagen resultante de procesar y unificar los datos registrados por la red de los ocho radiotelescopios repartidos por todo el mundo, actuando todos sincronizádamente hasta el punto de comportarse como si todos ellos fueran una sola antena con la superficie del tamaño de la Tierra, gracias a la precisión que nos permiten los relojes atómicos para sincronizar los resultados. Y por tanto, a la unión de todos estos telescopios se le llama Telescopio de Horizonte de Sucesos (EHT, por sus siglas en inglés) pues en la práctica actúan como solo uno.
 
El EHT tomó en realidad cuatro imágenes consecutivas, los días 5, 6, 10 y 11 de abril de 2017, y luego todas fueron analizadas con independencia unas de otras y tratadas con la misma rigurosidad. El resultado fue que las cuatro imágenes coincidieron tras el tratamiento de la descomunal masa de datos, con lo cual no cabe duda de que el agujero negro en la galaxia M87 tiene la forma que muestran las imágenes analizadas de forma independiente.

​Confirmaciones  e impacto histórico
 
Hace ya más de un siglo que Albert Einstein predijo y calculó como la fuerza de gravedad podía distorsionar el espacio-tiempo. Su trabajo ya predecía que un cuerpo de altísima densidad podría estar detrás de un horizonte de sucesos, es decir el punto límite a partir del cual la atracción del agujero negro es inevitable y todo queda inexorablemente atrapado y destruido por la brutal gravedad.
 
Es justamente este horizonte límite lo que se aprecia en la imagen recién publicada, ya que el agujero negro, por definición, no se puede ver, pero emite partículas en ese límite mencionado que si podemos observar y frente a esa iluminación, de fondo, se observa una silueta oscura que es en sí, la sombra del agujero negro. 
 
Una vez más las predicciones de Einstein se han confirmado muchos años después, sus ecuaciones de la relatividad también predijeron que un horizonte de sucesos debería tener forma circular y tamaño proporcional a la masa del agujero negro, algo que esta imagen a demostrado nuevamente.
 
La teoría de la relatividad general explica perfectamente el comportamiento del universo a gran escala, pero es incompatible con la mecánica cuántica, que explica el comportamiento de las partículas subatómicas.
 
Con esta última investigación, los científicos han constatado que las ecuaciones de la gravedad se sostienen incluso bajo las condiciones más extremas en torno al agujero negro, confirmando las predicciones de Einstein.
 
Los investigadores han analizado y medido con precisión el horizonte de sucesos y es extremadamente circular, por lo que concuerda con las ecuaciones de la relatividad  de nuevo.
 
A partir de ahora un nuevo “horizonte” de respuestas se abre ante nosotros y por fin una gran prueba científica que ayuda a unir todas las teorías que intentan dar respuesta a lo que ocurre en nuestro universo, de lo increíblemente pequeño a lo más gigantesco que podamos imaginar

Autor: José Francisco Alonso

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