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Cosmología

El límite de lo visible

Una red internacional de radiotelescopios produce la primera imagen de las inmediaciones de un agujero negro

Imagen de los alrededores del agujero negro en el centro de la galaxia M87 reconstruida a partir de las señales de microondas captadas por radiotelescopios

Event Horizon Telescope Collaboration

Pōwehi. Esta expresión significa algo así como “creación ornamentada, oscura e insondable” y aparece en ocasiones en el Kumulipo, un cántico hawaiano del siglo XVIII que narra en 2.102 versos el origen del mundo. Pōwehi fue el término que escogió Larry Kimura, profesor de lenguas nativas en la Universidad de Hawái, Estados Unidos, para denominar a la imagen de algo jamás visto con anterioridad: el entorno de un agujero negro.

La imagen que fue presentada en el marco de una conferencia de prensa que se realizó el 10 de abril, revela un círculo colorido ligeramente desplazado entorno de una región central renegrida. La misma es producto de la primera observación de aquello que se puede entrever en las adyacencias de un agujero negro. En este caso, se trata del agujero negro del centro de la galaxia Messier 87 (M87), que está ubicada en el firmamento en dirección a la constelación de Virgo. El nombre Pōwehi aún debe ser sometido a aprobación por la Unión Astronómica Internacional antes de poder ser adoptado formalmente.

La mancha oscura envuelta por el anillo iluminado en el centro de M87 es la sombra dejada por el horizonte de eventos (también denominado horizonte de sucesos), región a partir de la cual la gravedad crece en forma impresionante y atrapa todo aquello que se encuentra cerca y la materia y la energía que trasponen el horizonte de eventos acaba comprimida en un único punto, al cual los físicos denominan singularidad. El anillo, teñido artificialmente con colores que van del amarillo pálido al rojo, es la parte más interna de un disco gaseoso ultracaliente que adquiere forma de espiral en las proximidades del horizonte de eventos antes de ser capturado y perder contacto con el universo. Es el brillo de ese gas lo que permite delinear la sombra del horizonte de eventos del agujero negro.

La imagen es la evidencia más directa de la existencia de un agujero negro. Ella es el resultado del esfuerzo de los más de 200 científicos que integran el proyecto Telescopio Horizonte de Eventos (EHT, según su sigla original en inglés), un consorcio internacional que se valió de datos recabados por ocho observatorios de radioastronomía instalados en diferentes sitios del planeta y programados para funcionar como si fuesen un único radiotelescopio del tamaño de la Tierra.

“Pudimos ver lo que se pensaba que era invisible”, dijo el astrónomo estadounidense Sheperd Doeleman, director del proyecto EHT, al presentar la imagen en la conferencia de prensa que se realizó en Washington, Estados Unidos. “Logramos algo que parecía ser imposible hace solamente una generación atrás”, dijo Doeleman, investigador del Centro de Astrofísica Harvard & Smithsonian, en Massachusetts.

Los agujeros negros son los objetos más insólitos del universo. Su existencia solo comenzó a imaginarse a partir de 1916, después de que el físico y astrónomo alemán Karl Schwarzschild (1873-1916) publicara una solución, obtenida entre las batallas contra Rusia en la Primera Guerra Mundial, para las ecuaciones de la teoría de la relatividad general, de Albert Einstein (1879-1955). La solución hallada por Schwarzschild definió la distancia a partir de la cual un cuerpo con masa muy elevada pasaría a atraer todo lo que se encuentra alrededor. Esa distancia, denominada radio de Schwarzschild, es tanto mayor cuanto más elevada es la masa concentrada en la singularidad y determina el horizonte de eventos del agujero negro. Cuando se presentaron esos resultados, Einstein y otros físicos la hallaron interesante, pero improbable que ocurriera en la naturaleza. Tan solo medio siglo más tarde, a partir de la publicación de estudios teóricos de cuerpos supermasivos en rotación y de la observación de objetos celestes compatibles con agujeros negros, empezó a tomarse en serio la posibilidad de existencia de tales objetos.

“Ya en las décadas de 1960 y 1970 había evidencias indirectas de la existencia de esos objetos”, comenta el astrofísico Daniel Dutra, de la Universidad Federal de Santa Catarina (UFSC). “Con todo, disponer de una imagen del horizonte de eventos nos brinda una confianza que difícilmente podría alcanzarse con indicios indirectos, por más numerosos que ellos fueran”.

Aunque el agujero negro de la M87 tenga una masa extremadamente elevada, alrededor de 6.500 millones de veces mayor que la del Sol, resulta difícil observar el brillo del gas en su entorno. Ocurre que ese agujero negro se encuentra tan alejado (su luz tardó 55 millones de años en llegar a nuestro planeta) y la sombra de su horizonte de eventos es tan pequeña (tiene un tamaño comparable al de una naranja en la superficie de la Luna vista desde la Tierra) que solo recientemente se logró dar con una estrategia para divisar sus límites. Para ello, el equipo del EHT tuvo que aprender a hacer que los ocho radiotelescopios funcionaran en conjunto y desarrollar algoritmos para el tratamiento de los datos y poder reconstruir la imagen.

Con base en los cálculos de la relatividad general, se esperaba que si ese agujero negro estuviera inmerso en una región brillante, tal como el interior de un disco de gas incandescente, sería posible observar una sombra con determinada forma y tamaño. Empero, jamás se había contado con un telescopio con resolución suficiente como para registrarla.

Las observaciones que permitieron generar esta imagen presentada ahora se realizaron en abril de 2017 y produjeron alrededor de 5 petabytes de datos (el equivalente a 5 mil terabytes o bien, 5 mil años de música guardada en archivos digitales), almacenados en centenas de discos rígidos de memoria que fueron transportados en avión para dos centros de análisis. En esos centros, los equipos trabajaron durante dos años para correlacionar los datos de los diferentes observatorios y efectuar las debidas correcciones. La interpretación de los datos y la estrategia de análisis se presentaron en seis artículos científicos que se publicaron en el mes de abril en una edición especial de la revista The Astrophysical Journal Letters.

“La imagen obtenida por el equipo del EHT representa el límite de nuestro conocimiento”, dice el físico teórico Bruno Carneiro da Cunha, de la Universidad Federal de Pernambuco (UFPE).

Si bien no tiene una nitidez perfecta, se la considera un hito científico por dos razones. La primera es que permite estimar con mayor precisión las características del agujero negro de la M87. Antes, por ejemplo, se calculaba que su masa sería 3.500 millones de veces mayor que la del Sol. La segunda y más importante es que la misma confirma que la teoría de la relatividad general superó otra prueba más y permite describir con precisión incluso los fenómenos más extremos del universo. El primer test, hace 100 años, fue la observación de la curvatura de la luz al pasar cerca del Sol, medida durante el eclipse de 1919.

“El hecho de haber podido observar el horizonte de sucesos con el tamaño estimado a partir de los cálculos de la teoría de la relatividad general menguará radicalmente la atención brindada a las teorías de gravitación alternativas a la de Einstein”, analiza el astrofísico teórico Rodrigo Nemmen, de la Universidad de São Paulo (USP).

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ESO/ ESA/ Hubble/ M. Kornmesser/ N. Bartmann Los agujeros negros son cuerpos extremadamente densos. Concentran una masa muy elevada (de millones a miles de millones de veces la del Sol) en una región ínfima, la singularidad. Como resultado de ello, deforman el espacio-tiempo y atraen todo lo que se encuentra próximo. Se alimentan a partir de un disco de gas supercaliente (disco de acreción) que, atraído por la gravedad, adquiere forma de espiral alrededor del horizonte de eventos, una región a partir de la cual nada puede escapar. Al rotar, el agujero negro arrastra el disco y distorsiona sus campos magnéticos, generando chorros de partículas y radiaciónESO/ ESA/ Hubble/ M. Kornmesser/ N. Bartmann

“La observación de la mancha en el centro de M87 es considerada la evidencia más directa de la existencia de agujeros negros, aunque no la única”, explica el físico George Matsas, del Instituto de Física Teórica de la Universidade Estadual Paulista (IFT-Unesp). En septiembre de 2015, el Observatorio de Ondas Gravitatorias por Interferometría Láser (LIGO, según su sigla original en inglés), en Estados Unidos, había obtenido indicios indirectos al detectar las ondas gravitatorias generadas a partir de la colisión de dos agujeros negros.

El científico Avery Broderick, del Instituto Perimeter y de la Universidad de Waterloo, ambos en Canadá, afirmó, en el marco de la conferencia de prensa brindada en Washington, que la teoría de la relatividad general predice con exactitud los componentes de un agujero negro. Los datos obtenidos por el LIGO y por el EHT, prosiguió el investigador, indican que los agujeros negros, con masa elevada o pequeña, guardan analogías importantes y se comportarían de un mismo modo.

Según la astrofísica brasileña Lia Medeiros, quien forma parte de la colaboración EHT y actualmente es investigadora en la Universidad de Arizona, Estados Unidos, los resultados presentados ahora ayudarán a conocer mejor la geometría y el comportamiento del disco de materia que alimenta a los agujeros negros. “Aún hay mucho por dilucidar. Por ejemplo: cómo surgen los chorros que emiten algunos agujeros negros, tal como el de la galaxia M87”, dice.

Se espera que en los próximos años puedan obtenerse imágenes aún más nítidas de las inmediaciones del agujero negro de la M87. Otros tres radiotelescopios se sumarán a la red y eso aumentará alrededor de un 30% su poder de resolución. Con todo, antes de eso tal vez pueda presentarse otra imagen: la de los alrededores del agujero negro del centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea. Este, al cual se lo conoce con el nombre de Sagitario A*, tiene una masa 4,1 millones de veces superior a la del Sol y está ubicado 2 mil veces más cerca de la Tierra que el agujero negro de la M87. Según Doeleman, esas imágenes son más complejas y el equipo del EHT todavía trabaja en ellas.

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