Horizonte de Eventos, tan cerca de lo lejos

p-03Hace unos seis meses, David Hughes, el director e investigador principal del Gran Telescopio Milimétrico Alfonso Serrano (GTM), llegó a mi oficina y cerró la puerta. Era claro que auguraba algo “oscuro”, pero no sabía en ese momento que sería taaan oscuro, de lo más oscuro del Universo.

Se trataba de integrarse al grupo de comunicación del Telescopio del Horizonte de Eventos (EHT por sus siglas en inglés) que estaría publicando sus primeros resultados para el mes de abril. Sí, se tenían grandes resultados de la colaboración en la que el GTM y otros telescopios habían realizado observaciones que cambiarían el paradigma del monstruoso agujero negro ubicado en el corazón de la galaxia Messier 87.

Se requería entrar en coordinación con todas las instituciones participantes en el proyecto para, en ruedas de prensa simultáneas en todo el planeta, dar a conocer que los investigadores del EHT habían tenido éxito develando la primera evidencia visual directa de un agujero negro supermasivo y su sombra. Se trataba de preparar materiales para tener el mayor impacto posible. El pasado 10 de abril todos nos enteramos un gran despliegue a nivel mundial, nos permitió dar a conocer este resultado. Al parecer la coordinación funcionó. Vale la pena, en este número dedicado a Einstein, recordar un poco sobre el proyecto y sus implicaciones.

El EHT es un arreglo a escala mundial de ocho radiotelescopios, una colaboración internacional sin precedentes, que fue diseñado para obtener imágenes de un agujero negro, objetos completamente oscuros de los cuales no puede escapar ni la luz.

En realidad se obtuvo la sombra de un agujero negro que es lo más cercano a una imagen que podemos obtener del mismo agujero negro. La frontera del agujero negro, es decir, el horizonte de eventos del cual el EHT toma su nombre, es 2.5 veces más pequeña que la sombra que produce, es algo menor a 40 mil millones de kilómetros de ancho.

Los agujeros negros supermasivos son objetos astronómicos relativamente pequeños y por ello eran imposibles de observar directamente. El tamaño de un agujero negro es proporcional a su masa, entre más masivo sea, más grande es su sombra.

Se sabía que Messier 87, una galaxia masiva localizada en el cercano cúmulo de galaxias de Virgo, hospedaba a un agujero negro, cuya enorme masa y relativa cercanía, permitiría ser detectado desde la Tierra, convirtiéndolo en un objetivo perfecto para el EHT. Por esta razón, la imagen que se mostró, reveló a este agujero negro, que se encuentra a 55 millones de años luz de la Tierra y su masa equivale a 6.5 mil millones de veces la masa del Sol.

El EHT, que involucra a más de 200 científicos y a más de una docena de instituciones, enlaza a telescopios alrededor del mundo para formar un telescopio virtual del tamaño de la Tierra. Los telescopios no están físicamente conectados, los datos que obtienen se sincronizan utilizando relojes atómicos. Los telescopios colectaron datos a una longitud de onda de 1.3 milímetros durante la campaña de 2017. La cantidad de datos acumulados por cada telescopio es de aproximadamente 350 terabytes por día y fueron enviados  al Max Planck Institute for Radio Astronomy y al MIT Haystack Observatory, en discos duros de helio de alto rendimiento, donde fueron combinados para obtener la primera imagen de un agujero negro.

El EHT ofrece a los científicos una nueva forma de probar nuestro entendimiento de la gravedad, estudiando los objetos más extremos en el Universo, los cuales fueron predichos por la Teoría de la Relatividad General de Einstein, justo 100 años del experimento histórico que confirmó por primera vez la teoría (ver artículo sobre el eclipse de 1919 en este mismo número de S&C).

Debido a sus propiedades extremas, los agujeros negros afectan su entorno, deforman el espacio-tiempo y calientan el material alrededor. Estando inmerso en una zona brillante, el llamado disco de acreción, un agujero negro producirá una región oscura, una sombra, algo que predijo la relatividad general de Einstein y que nunca habíamos visto. Esta sombra revela mucho acerca de la naturaleza de estos objetos exóticos, permitiendo medir la masa del agujero negro, en esta caso de M87.

Diferentes grupos asociados a las instituciones participantes desarrollaron métodos independientes de calibración y análisis de imágenes, en todas ellas persisitió siempre una estructura en forma de anillo con una región central oscura, tanto en observaciones múltiples como en las independientes.

Las observaciones deben ser comparadas con los modelos teóricos. Se desarrollaron una gran cantidad de modelos que incluyen, desde luego, la física del espacio curvado, materia súper caliente y campos magnéticos intensos. Lo más sorprendente es que las observaciones obtenidas  concuerdan muy bien con las predicciones teóricas.

Aunque los telescopios que fueron parte de esta campaña de observación ya existían, crear el EHT fue un gran reto, ya que se requirió mejorar y conectar a una red diferentes infraestructuras ubicadas en una serie de sitios que incluyen volcanes en Hawai y México, montañas en Arizona y en la Sierra Nevada en España, el desierto de Atacama en Chile y la Antártida. La altitud en varios de ellos es un factor logísticamente muy importante. Basta recordar que el GTM se localiza a 4,600 metros sobre el nivel del mar.

El EHT emplea una técnica denominada interferometría de base muy larga (VLBI, por sus siglas en inglés), la cual sincroniza los telescopios ubicados en distintas partes del mundo (ver gráfica) y aprovecha la rotación de nuestro planeta para simular un telescopio del tamaño de la Tierra. Como ya mencionamos, las observaciones se llevan a cabo a una longitud de onda de 1.3 milímetros. Con esta técnica, VLBI, el EHT puede alcanzar una resolución angular de 20 microsegundos de arco, lo suficiente para, por ejemplo, poder identificar una naranja en la Luna.

En la gráfica mostramos la ubicación de los telescopios ALMA, APEX, el IRAM 30-meter telescope, el James Clerk Maxwell Telescope, el Gran Telescopio Milimétrico Alfonso Serrano, el Submillimeter Array, el Submillimeter Telescope y el South Pole Telescope, que participaron en este esfuerzo internacional.

Todos los telescopios enviaron sus datos, que sumaron varios petabytes, al Max-Planck Institute for Radio Astronomy y al MIT Haystack Observatory, donde se llevó a cabo el análisis necesario para transformarlos en la imagen final.

El GTM, construido en el Volcán Sierra Negra en México, es uno de los telescopios que se integró más recientemente al experimento EHT. Su ubicación geográfica en la región central de la red de telescopios y el tamaño de su antena le permitieron contribuir de manera importante en la calidad de la imagen del agujero negro de M87, así como a los primeros resultados.

La importancia de este resultado puede resumirse en la declaración de Shep Doleman, el director del proyecto EHT, quien dijo: “Hemos logrado algo que se suponía imposible hace sólo una generación”, remarcando que “Gracias a la tecnología innovadora y a la construcción de radiotelescopios durante la década pasada, nuestro equipo pudo integrar este nuevo instrumento diseñado para ver lo invisible”.

“Ver lo invisible” iba a ser el título de este artículo, hasta que, estando de visita en el Museo de Arte Abstracto Manuel Felguérez en Zacatecas, un par de semanas antes del anuncio de la imagen del agujero negro de M87, descubrí un cuadro de la pintora Patricia Tuirán. Tiene una serie de pinturas que se llama “Horizonte de Sucesos, tan cerca de lo lejos” (una de ellas acompaña este texto). Me pareció que sería muy ilustrativo, ya que estamos muy lejos de M87, pero muy cerca de descifrar algunos aspectos de la naturaleza de los agujeros negros.

 

* rmujica@inaoep.mx