El 12 de mayo, el Telescopio del Horizonte de Sucesos (EHT), una colaboración internacional que reúne a más de 300 científicos, divulgó una imagen del agujero negro supermasivo situado en el centro de la Vía Láctea. Esta fue la segunda imagen directa obtenida de uno de estos objetos extremadamente densos y misteriosos, que atraen y absorben, por acción de la gravedad, toda la materia e incluso la luz que se encuentra a cierta distancia de su interior. La primera había se había dado a conocer al público en abril de 2019, cuando el mismo equipo del EHT publicó una instantánea del agujero negro ubicado en el centro de Messier 87 (M87), una galaxia gigante situada a 55 millones de años luz de la Tierra.
La astrofísica brasileña Lia Medeiros, de 31 años, integrante del equipo del EHT y pasante de posdoctorado en el Instituto de Estudios Avanzados de Princeton, en Estados Unidos, participó en ambos trabajos. Desde principios de 2020, la investigadora es una de las dos coordinadoras del grupo que, dentro del EHT, estudia la física gravitacional de los agujeros negros, que esencialmente se basa en la teoría de la relatividad general de Albert Einstein (1879-1955). La difusión de la imagen de Sagitario A* (se lee Sagitario A estrella), el nombre del agujero negro del centro de nuestra galaxia, fue acompañada de la publicación de seis artículos científicos en una edición especial de la revista Astrophysical Journal Letters. Medeiros fue una de las líderes del grupo que redactó uno de los papers. “Los agujeros negros son un laboratorio para poner a prueba la gravedad propuesta por Einstein”, dice esta carioca que vive en Estados Unidos desde que era una niña.
En ambos casos, los retratos cósmicos fueron elaborados mediante el procesamiento y la interpretación de los datos de observación captados por una red de radiotelescopios terrestres ubicados en distintas partes del globo terrestre. Por definición, los agujeros negros no emiten luz, pero su entorno “brilla” en ciertas longitudes de ondas de radio. Las así denominadas imágenes directas del extraño objeto situado en el corazón de ambas galaxias muestran, en realidad, la sombra del agujero negro, una zona central oscura rodeada por un anillo o disco de materia, de gas caliente coloreado artificialmente en tonos anaranjados.
Hasta ahora, las imágenes de la sombra de los dos agujeros negros corroboran las hipótesis postuladas por el físico alemán. Eso es lo que explica Medeiros en una entrevista concedida el 13 de mayo a través de una aplicación de video mientras regresaba de Washington a Princeton en automóvil, como pasajera. En la víspera, ella y sus colegas del EHT habían sido convocados por la National Science Foundation (NSF) para participar en un evento público en la capital estadounidense que se transmitió vía internet, en el cual respondieron preguntas sobre la imagen de Sagitario A*.
¿Cómo es el proceso de obtención de imágenes de un agujero negro?
Empleamos una técnica llamada interferometría, que combina los datos de observación obtenidos por distintos radiotelescopios y permite la obtención de imágenes de mayor resolución. Cuanto mayor es la distancia entre los telescopios que componen la red, mayor es la resolución de la imagen que se obtiene. No hemos construido una red de telescopios. Utilizamos los que ya había, les realizamos modificaciones y les instalamos cámaras nuevas para que pudieran trabajar en conjunto. Así, hemos creado un radiotelescopio virtual casi del tamaño de la Tierra.
¿Cuántos telescopios se utilizaron en las observaciones?
En 2017, el EHT observó los agujeros negros de M87 y Sagitario A* con ocho radiotelescopios: dos en Chile, dos en Hawái, uno en el estado de Arizona (EE. UU), uno en México, uno en España y uno en la Antártida. Armamos parejas de telescopios que operan en forma sincronizada y cada par observa un punto en el espacio y obtiene una parte de la información. Luego unificamos todas esas partes mediante algoritmos y software y obtenemos una imagen. Las observaciones se realizan en una longitud de onda de radio muy pequeña, de 1,3 milímetros (mm), mayores que la de la luz visible. A partir de la diferencia de tiempo con que estas ondas llegan a cada dupla de telescopios, podemos calcular, con bastante precisión, de dónde provienen. Funciona de manera similar al sistema de GPS, que registra el tiempo que demora una señal emitida por satélites en el espacio en llegar a la Tierra y lo utiliza para calcular, por ejemplo, la ubicación de un teléfono móvil.
Las imágenes de los agujeros negros en M87 y en la Vía Láctea corroboran las previsiones de la relatividad general
¿Pero cómo se utiliza el cúmulo de datos obtenidos en las observaciones para elaborar una imagen?
Se trata de algo mucho más complicado que el mero hecho de tener una cámara apuntando al espacio que tome una fotografía de un objeto. Necesitamos realizar muchos cálculos para construir una imagen a partir de los datos recabados por los telescopios, que se encuentran instalados en zonas de alta montaña para que no los afecte el vapor de agua de la atmósfera. Las ondas de radio de 1,3 mm interactúan con el agua. Grabamos todos los datos relativos a cada onda de radio observada. No solo de la procedencia de la onda, sino también la hora exacta de su emisión, todo con suma precisión. Los telescopios poseen relojes atómicos de gran precisión. Cada par registra una pequeña parte de la información referente a la imagen.
¿Durante cuánto tiempo se ha observado a los dos agujeros negros?
A cada uno se lo ha observado por espacio de unas 12 horas durante una semana de abril de 2017. Esa semana realizamos varias observaciones. Algunos de los datos se obtuvieron al principio del tiempo de observación, otros al final. Cada punto de la imagen fue seguido simultáneamente por dos telescopios. La ubicación geográfica determina lo que cada telescopio puede observar. No es posible ver todas las regiones del espacio todo el tiempo desde todos los lugares de la Tierra. Para la imagen de Sagitario A*, el telescopio del polo sur era muy importante, porque puede observar este agujero negro casi en todo momento.
¿Por qué se ha tardado años en elaborar las imágenes una vez realizadas las observaciones?
Porque el acceso a los datos y su procesamiento es muy complicado. Cada telescopio almacena en sus discos duros toda la información de cada onda de radio que ha podido detectar. Esos datos totalizan unos 3,5 petabytes y equivalen a aproximadamente 100 millones de videos de una red social como TikTok. No hay manera de transmitir estos datos vía internet. Los discos rígidos de cada uno de los ocho telescopios deben transportarse en avión, en grandes cajas, a los centros de análisis informático de dos lugares: Bonn, en Alemania, y Boston, en Estados Unidos. En estos centros, se lleva a cabo la correlación de los datos y las observaciones de un telescopio se sincronizan con las de los otros. Luego de eso comienza la tarea de procesamiento de los datos para generar las imágenes. Otra dificultad radica en que no contamos con datos de todos los puntos del espacio que quisiéramos para construir la imagen de los agujeros negros.
¿Y eso por qué?
Porque hay muchos lugares del planeta donde no tenemos telescopios, por lo tanto, hay algunas zonas del agujero negro que no podemos observar. Nuestra información es incompleta. A partir de nuestras simulaciones por computadora y de los datos disponibles, podemos suponer cómo son esas áreas de las cuales no hay información. Es como tratar de tocar una canción en un piano al que le faltan teclas. No puede saberse con exactitud cómo es la canción y cómo se utilizarían las teclas faltantes para tocarla. Pero con la información disponible, se puede intentar adivinar la música. Así, al finalizar nuestro trabajo, generamos miles de imágenes del mismo agujero negro que son técnicamente compatibles y consistentes con nuestros datos de observación. Tanto en el caso del agujero negro de M87 como en el de Sagitario A*, lo que divulgamos es algo así como una imagen promedio de todas nuestras reconstrucciones, la versión más compatible con nuestros datos y la teoría.
La imagen de Sagitario A* tardó tres años más en divulgarse que la del agujero negro de M87. ¿Esto significa que su obtención resultó más difícil?
En efecto, fue más complicada. El agujero negro se encuentra en el centro de la Vía Láctea y la Tierra está en uno de los brazos de la galaxia, una ubicación que dificulta nuestro campo de visión. Las ondas de radio que observamos deben atravesar la galaxia y se ven afectadas por los campos magnéticos generados por la materia ionizada [con cargas eléctricas] de la Vía Láctea. Además, debido a que es mucho más pequeño que el agujero negro de M87, percibimos de manera más inestable los contornos de Sagitario A*. El brillo y el patrón de distribución del gas que rodea a Sagitario A* cambian mucho más rápido. En M87, el gas del anillo demora días o semanas en completar una órbita alrededor del agujero negro. En la Vía Láctea, esto ocurre en pocos minutos. Es como tratar de obtener una imagen nítida de un objeto en constante movimiento.
En el anillo que circunda a Sagitario A* aparecen tres puntos más brillantes. ¿Qué significan?
No creemos que esos puntos existan realmente. No debemos perder tiempo tratando de entenderlos. Posiblemente sean un efecto de los instrumentos utilizados en las observaciones y de los algoritmos computacionales empleados para generar la imagen. Hemos elaborado otras versiones de la imagen del agujero negro, que también son consistentes con nuestros datos, y esos puntos aparecen distribuidos de otra forma en el disco. Por lo tanto, su existencia es incierta. En cuanto al agujero negro del centro de la Vía Láctea, creemos que tiene un anillo, ya que hemos podido medir su diámetro y su espesor, y una región oscura en el centro del mismo. También pudimos comparar la intensidad de la región oscura con la del propio anillo. Esas son las estructuras del agujero negro que podemos dar por ciertas. La imagen de Sagitario A* es bastante similar a la del agujero negro de M87. La única diferencia es que el brillo de la parte sur del anillo de M87 es más intenso que en el norte. Esta diferencia debe ser real.
Colaboração EHTImágenes de los dos agujeros negros en el centro de las galaxias, el de M87 (a la izq.) y el de la Vía Láctea, divulgadas por la colaboración EHTColaboração EHT
¿Qué podría significar esa diferencia de brillo?
Cuando un disco de acreción de materia rodea a un agujero negro, se produce un efecto relativista llamado doppler beaming. La materia que se mueve hacia el observador a velocidades cercanas a la de la luz se ve más brillante y la del lado opuesto parece ser menos intensa. Este efecto altera la longitud de onda y la intensidad de la luz. Eso es lo que vemos en la imagen del agujero negro de M87.
¿En qué consiste su trabajo dentro del EHT?
La colaboración se divide en grupos de estudio centrados en áreas diferentes, tales como la elaboración de las imágenes de los agujeros negros o la producción de las simulaciones teóricas de estos objetos. He participado en la mayoría de los grupos de investigación, especialmente en el de las simulaciones. Durante mi doctorado, realicé simulaciones sobre cómo la materia que rodea al agujero negro podría caer en él y las utilicé para predecir el aspecto de Sagitario A*. En 2019, cuando difundimos la imagen del agujero negro de M87, no había un grupo dedicado a probar la teoría de la gravedad de Einstein, la relatividad general. En enero de 2020, empecé a coordinar ese grupo junto con un colega del proyecto. Cada grupo posee dos o tres coordinadores.
¿Por qué la imagen de los dos agujeros negros se ajusta a la relatividad general?
Para Einstein, la gravedad es una curvatura del espacio-tiempo, causada por la distribución desigual de la materia. La teoría prevé la existencia y las características de un agujero negro, en particular su geometría, que sería muy específica. La geometría del agujero negro se calcula por medio de la métrica de Kerr, que es una solución de las ecuaciones de campo de la relatividad general. El formato del disco en las imágenes del agujero negro contiene mucha información sobre el propio agujero negro. Al medir el tamaño del anillo, sabemos si el agujero negro presenta la geometría de Kerr. En ambos casos, en M87 y en la Vía Láctea, las imágenes confirmaron la teoría. Fue de gran importancia testear la relatividad en agujeros negros con masas diferentes, bajo regímenes de fuerza gravitacional muy fuerte, cerca del horizonte de sucesos [la zona alrededor del agujero negro a partir de la cual la materia es atraída]. La masa de Sagitario A*, ubicado a 27.000 años luz, equivale a la de unos 4 millones de soles. El agujero negro de M87 se encuentra 2.000 veces más lejos, pero su masa es 1.500 veces mayor: el equivalente a la de 6.500 millones de estrellas como el Sol.
¿Cómo surgió su interés por estudiar astrofísica?
Nací en Río de Janeiro y pasé la mayor parte de mi infancia viviendo en varias ciudades de Brasil y algunos años en Cambridge (Reino Unido). Aprendí a hablar portugués e inglés y solía alternar entre ambos idiomas. Cuando todavía era una niña fui a vivir as Estados Unidos. Así fue que desde pequeña me di cuenta que la matemática era la misma en todos los países. Decidí centrarme en ella. Sabía que sería siempre lo mismo independientemente de donde estuviera viviendo. Era algo fundamental y universal.
¿Y qué fue lo que la llevó a dedicarse a investigar los agujeros negros?
A los 16 o 17 años, ya estudiaba cálculo, física y astronomía en la escuela de enseñanza media en California y me di cuenta de que la matemática era un lenguaje que no solo servía para describir, sino también para predecir el Universo. Para mí, los agujeros negros son el mejor ejemplo de ello. Quedé fascinada cuando descubrí que este fenómeno alteraría el tiempo, dilatándolo. Y quise aprender más sobre eso. Estudié física y astrofísica en la Universidad de California en Berkeley y luego hice la maestría y el doctorado en física teórica en la Universidad de California en Santa Bárbara. Durante el doctorado, una vez que completé las clases en Santa Bárbara, también pasé tres años en el Steward Observatory, de la Universidad de Arizona, y uno más en la Black Hole Initiative, en la Universidad Harvard. Luego, con una beca de posdoctorado de la NSF, recalé en el Instituto de Estudios Avanzados [el último lugar donde trabajó Einstein].
¿Hay otros brasileños en el EHT?
Que yo sepa, no. Conozco a muchos astrónomos brasileños, amigos y colegas. Dicté conferencias en Brasil en 2019 y siempre paso las vacaciones ahí con mi familia. Pero nunca trabajé con la comunidad científica brasileña. Estoy muy interesada en poder hacerlo algún día.
