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Y el agujero estaba al lado

Una nueva estrategia de análisis de la información revela la existencia de un agujero negro fuera del centro de la galaxia M 94

Astronomia_montadoMONTAJE DE FOTOS de Miguel Boyayan y Nasa/HSTEn medio de la constelación de los Perros de Caza, en esta época del año visible en el cielo del Hemisferio Norte al comenzar la noche, existe una galaxia espiral similar a la Vía Láctea que desde hace décadas suscita la curiosidad de astrónomos y astrofísicos. Identificada por el astrónomo francés Pierre Méchain en 1781 y catalogada con el número 94 por su maestro, Charles Messier, esta galaxia conocida por la sigla M 94 se parece a la mayoría de las galaxias espirales. Ubicada a tan sólo 15 millones de años luz de la Tierra, alberga decenas de miles de millones de estrellas en una zona esférica central (o núcleo) y otras decenas de miles de millones en un disco achatado de gas y polvo. La región central de esa galaxia, que ocupando un área menor que la del Sistema Solar, emite un tipo de luz distinta que la que producen las estrellas. Este brillo concentrado en un espacio tan restringido suele indicar la presencia de un gigantesco agujero negro, que absorbe constantemente la materia de estrellas y las nubes de gas y polvo de alrededor. La luminosidad proviene del movimiento de la materia que se apresta a ser absorbida: cerca del agujero, entra en movimiento de tirabuzón a velocidades tan elevadas que se transforma en energía y escapa hacia el espacio en forma de radiación electromagnética desde la más tenue, como las ondas de radio, hasta la más energética, como los rayos gama, pasando por la luz visible.

En las últimas décadas, diversos grupos de investigación de Brasil y del exterior otearon las entrañas de esta galaxia, también conocida por la sigla NGC 4736, con los más potentes telescopios disponibles, pero no lograron localizar el agujero negro que esperaban encontrar. Algunos astrofísicos llegaron a proponer otros fenómenos para explicar el origen de tanta luminosidad, como la colisión de vientos ultrarrápidos o el traslado de la energía de las estrellas a las nubes de gas (fotoionización). Pero las evidencias recientes seguían indicando que los agujeros negros estarían en el origen de la mayor parte de las galaxias, y sirven como una especie de soporte sobre el cual éstas se estructuran.

Al cabo de casi tres años analizando imágenes obtenidas con uno de los mayores telescopios ópticos apostados en Tierra el Gemini Norte, instalado en las montañas de Mauna Kea, en Hawai, con un espejo de 8,1 metros de diámetro, el astrofísico brasileño João Steiner finalmente obtuvo pruebas inequívocas de que la M 94 efectivamente alberga un agujero negro voraz, uno de los más cercanos al Sistema Solar. Pero, para sorpresa de todos, incluso de Steiner, no se encuentra donde os investigadores estimaban que debería estar

Processed with MaxIm DLSloan Digital Sky SurveyCon una masa millones de veces superior a la del Sol concentrada en un espacio reducido, los agujeros negros ejercen una atracción gravitacional sumamente intensa sobre las estrellas más cercanas, y pueden incluso consumir a las que se les acercan en demasía. Virtualmente sujetas a éstos por la gravedad, las estrellas vecinas contribuyen para atraer a las más distantes y así sucesivamente, como si los agujeros negros fueran imanes colosales que estructuran la galaxia. Por esta razón, se imagina que son el centro de las galaxias. Pero no fue eso lo que vieron que Steiner y su equipo. En la M 94, el agujero negro no está en el centro, sino un poco desplazado (alrededor de 10 años luz) hacia la periferia. Era tan obvio que debería encontrarse en el centro de la galaxia que nunca se imaginó que estuviese en otro lugar, comenta Steiner, docente del Instituto de Astronomia, Geofísica y Ciencias Atmosféricas de la Universidad de São Paulo (IAG-USP).

El hallazgo del grupo de Steiner no se debe únicamente al poder de ampliación de imágenes del Gemini, un telescopio que él mismo ayudó a construir y en el cual los investigadores brasileños disponen de aproximadamente 20 noches de observación por año. Resulta principalmente de una estrategia de análisis de la información perfeccionada por el astrofísico de la USP y su equipo durante los últimos dos años y presentada en un artículo publicado este mes en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. En colaboración con los astrofísicos Roberto Menezes y Tiago Ricci, de la USP, y Alexandre Oliveira, de la Universidad Vale do Paraíba, interior de São Paulo, Steiner perfeccionó un método estadístico empleado en otras áreas de la ciencia (el análisis de componentes principales) y lo utilizó para filtrar la inmensa cantidad de datos generada mediante una poderosa técnica de observación astronómica reciente, la espectrografía de campo integral.

En la espectrografía de campo integral, la imagen de un área del cielo equivalente a la de la punta de un lápiz vista a la distancia de un metro es focalizada sobre un conjunto de lentes microscópicas conectadas vía fibra óptica a un poderoso espectrógrafo. Este  aparato descompone la luz en los diferentes niveles de energía del espectro electromagnético.

Filtro de luz
En el caso del Gemini Norte, la luz captada de una estrella o de una galaxia converge hacia 500 microlentes que, unidas, caben en la superficie de una moneda de diez centavos. Cada microlente recibe la luz de un punto distinto de esa imagen y la separa en 6 mil niveles de energía, que indican la cantidad y la variedad de elementos químicos hallados en aquella región del espacio. Es importante identificar la composición química de una determinada región porque, en rigor, todo lo que existe en el Universo, desde las estrellas hasta los seres vivos, está formado por diferentes combinaciones de 116 elementos químicos originados en el interior de las estrellas.

Astronomia_CuboMiguel BoyayanPero la espectrografía de campo integral genera un volumen impresionantemente grande de datos, millones de veces mayor que el obtenido con las estrategias de investigación de los cielos que hicieron que la astronomía avanzara en el siglo pasado. El problema entonces dejó de ser cómo obtener la información y pasó a ser qué hacer con tanta información una espectrografía de campo integral del Gemini produce 30 millones de datos por cada imagen. No lográbamos interpretar toda esa información y la mayor parte sencillamente se descartaba, explica Steiner.

Hasta la década de 1990, el conocimiento sobre los planetas, las estrellas y las galaxias progresó impulsado por dos técnicas empleadas por separado: la observación por medio de telescopios con poder de ampliación centenas de veces superior al de los usados por Galileo a comienzos del siglo XVII y mediante el análisis de la luz de los objetos celestes a través de la espectrografía, desarrollado por el físico alemán Robert Bunsen a fines del siglo XIX. Equipos más sofisticados permitieron unir ambas técnicas, inicialmente suministrándoles a los investigadores las informaciones sobre el espectro de luz y por consiguiente de la composición química? de un único punto de cada imagen.

Un astrofísico que, además de la forma, deseara conocer razonablemente la composición química y la población de estrellas de una galaxia como la M 94 debía hacer mediciones del espectro en distintos puntos de la misma. Era un proceso lento y trabajoso como el que encara alguien que intenta conocer la temperatura del agua de un lago sumergiendo un termómetro en varios puntos. Con el perfeccionamiento de la espectrografía, se hizo posible obtener de un solo tirón los datos de energía a lo largo de toda una línea imaginaria que corta el objeto observado, y ahora, con la espectrografía de campo integral, de toda su superficie.

Las informaciones obtenidas mediante esta forma de espectrografía generalmente se representan en un gráfico tridimensional con ejes perpendiculares entre sí que tienen forma de cubo, razón por la cual se lo conoce entre los expertos como cubo de datos. Es un gráfico similar a aquél en que se representan las tres magnitudes espaciales (ancho, altura y profundidad) del living de una casa. Pero en los cubos de datos construidos con informaciones de imágenes de astronomía, tan sólo dos de las dimensiones son espaciales (la altura y el ancho), toda vez que las imágenes obtenidas por los telescopios son bidimensionales. La tercera dimensión, que correspondería a la profundidad, suele representarse con los niveles de energía (espectro). El problema con los cubos de datos generados mediante esta técnica ha sido evaluar la cantidad impresionante de información de manera tal que se logre extraer algún significado físico de las mismas, comenta el astrofísico Keith Taylor, del Observatorio Anglo-australiano, con sede en Epping, Australia, uno de los pioneros en el uso de cubos de datos en astronomía.

Fue en 2007 que Steiner, con las imágenes del Gemini en manos y no conforme con la falta de una herramienta matemática que le permitiera utilizar la montaña de datos que había recabado, salio en busca de una solución. Probó diversas alternativas y notó que el análisis de componentes principales podría serle útil. Esta herramienta estadística busca asociaciones entre datos no siempre claramente relacionados y permite eliminar las redundancias, comunes en las espectrografías de campo integral de una galaxia, explica el astrofísico Roberto Cid Fernandes, de la Universidad Federal de Santa Cantarina (UFSC). Por eliminar aquello que es innecesario, el análisis de componentes principales hace posible usar el mínimo de datos para representar el fenómeno con el máximo de realismo posible, agrega Fernandes, otro colaborador de Steiner, quien anteriormente había buscado infructuosamente el agujero negro de la galaxia M 94 y había planteado una explicación alternativa para el brillo de la región central de la galaxia.

Un truco matemático
En el análisis de datos distribuidos en varias dimensiones, esta herramienta estadística ubica primeramente aquéllas que concentran la mayor cantidad de informaciones y luego las que reúnen el segundo grupo en cantidad, y así  sucesivamente, dice el astrofísico Laerte Sodré Júnior, de la USP, experto en aplicación del análisis de componentes principales a la astronomía. Es como si el estudio de la colección de libros de una casa indicase que ésta puede ser mejor representada en primer lugar por los ejemplares de la biblioteca, en segundo lugar por los libros del estante del living y en tercer lugar la pequeña pila ubicada al lado de la cama. En resumen, es una estrategia destinada a reorganizar los datos por cantidad y relevancia.

Sin embargo, la herramienta estadística únicamente no resuelve las dificultades impuestas por el análisis del cubo de datos. Steiner, Menezes, Ricci y Oliveira desarrollaron entonces un procedimiento matemático que realza las características atenuadas de las imágenes astronómicas. Esa mejora redundó en una forma poderosa de extraer información del cubo de datos, comenta Steiner, que apuesta incluso que este abordaje irá más allá de la astrofísica y se volverá útil en otras áreas de la ciencia que, pese a ser distintas, muchas veces estructuran la información de manera similar.

Según Steiner, las diez primeras imágenes son suficientes para recuperar el 99,9% de la información contenida en el cubo de datos, que en el caso de la galaxia M 94, contiene 6 mil imágenes. Este abordaje también ayuda a seleccionar y reagrupar los datos que interesan, eliminando lo que no interesa, como si fueran sucesivos filtros. Para llegar al agujero negro de la galaxia M 94, el grupo de Steiner eliminó el primer grupo de datos, que representaba a todas las estrellas, y luego la información sobre el gas y el polvo. Recién entonces lograron observarlo. Las evidencias de que ese  agujero negro efectivamente existe nunca fueron tan convincentes, comenta Fernandes, de la UFSC. Como la señal que emite es muy débil, los métodos tradicionales no lograrían encontrarlo.

Esta estrategia es un tanto distinta que la adoptada habitualmente en astrofísica y en otras áreas de la ciencia. En general, el investigador formula una pregunta y se vale de los métodos disponibles en busca de la respuesta. Con este abordaje, dice Steiner, la respuesta es dada sin que se haya hecho la pregunta. Lo complicado es saber interpretar los resultados que la técnica muestra, añade Fernandes. Ellos ni siquiera se preguntaron si había un agujero negro en la M 94. Sencillamente lo encontraron, escondido allí donde nadie pensaría en buscarlo, de manera similar al que observaron en otra galaxia, la M 58 o NGC 4579, ubicada en la constelación de Virgo.

En un trabajo de arqueología estelar recién concluido, Steiner y Fernandes plantean una explicación para que el agujero negro de la M 94 esté donde no debería estar: formada hace 12 mil millones de años, en la infancia del Universo, la M 94 chocó hace dos mil millones con una galaxia menor. Ese encontronazo de proporciones cósmicas desplazó al agujero negro de su posición original. Cuando alcance el equilibrio, dice Steiner, regresará al lugar en que debería estar, en el centro de la galaxia, aunque eso tarde un millón de años.

Los proyectos
1.
Diferenciación de modelos para Liners (06/05203-3); Modalildad Beca de maestría; Coordinador: João Steiner – IAG/ USP; Becário Roberto Bertoldo Menezes
2. Análisis de componentes principales de una muestra de galaxias Seyferts cercanas (05/03323-9); Modalidad Beca de maestría; Coordinador João Steiner – IAG/USP; Becária Tiago Vecchi Ricc

Artículo científico
STEINER, J. E. et al. PCA Tomography: how to extract information from data cubes. Monthly Notices of the Royal stronomical Society. v. 370. may. 2009.

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