La Primera Imagen de un Agujero Negro

Descripción de la imagen: En abril de 2017, la información para la primera imagen de un agujero negro fue recopilada en los discos duros de varios telescopios y transportada por un avión comercial al Observatorio Haystack en Massachusetts. Procesada, comparada y analizada por grupos de supercomputadoras, en abril de 2019, los físicos pudieron revelar este simple halo de luz amarilla anaranjada, borroso y asimétrico, que se destaca sobre un fondo negro. El monstruo cósmico, ubicado a unos 50 millones de años luz de la Tierra, fue imagenado en el centro de la galaxia M87 por una colaboración internacional (Event Horizon Telescope). Fuente de la imagen: EHT Collaboration.

"Ver" en física es simplificar lo real

A lo largo de la historia, los humanos han necesitado luz para medir los fenómenos físicos, pero nuestra visión no es muy efectiva. Lo que vemos con nuestros ojos es el pequeño rango de vibraciones que se encuentran en el espectro electromagnético entre 380 nanómetros para el violeta y 780 nm para el rojo, mientras que la imagen es construida por nuestro cerebro.

La longitud de onda de la luz está íntimamente ligada al concepto de color, pero hay colores que nunca veremos, aquellos ubicados más allá del violeta y por debajo del rojo. Por lo tanto, nunca serán interpretados por nuestro cerebro.

La paradoja con un agujero negro es que no tiene color por definición porque la luz, la materia y la energía están atrapadas dentro del agujero negro. ¿Cómo lograron los físicos del proyecto EHT (Telescopio del Horizonte de Eventos) transformar la información de un agujero negro supermasivo invisible en luz visible para el ojo humano?

Un agujero negro retiene toda la información. Es un objeto misterioso cuya superficie no es sólida, líquida ni gaseosa; es una simple frontera inmaterial llamada "horizonte de eventos". Por lo tanto, debe inventarse otra forma de "ver" lo invisible.

Si el agujero negro es invisible, su entorno no lo es, y gracias a él podremos determinar el horizonte de eventos y así ver la sombra del agujero negro.

Según la teoría del agujero negro, la materia cerca del horizonte de eventos se calienta fuertemente por acreción antes de ser absorbida por el monstruo y desaparecer para siempre en su pozo gravitacional. Pero antes de desaparecer para siempre, el polvo y el gas circundantes, así como los residuos de estrellas que alguna vez fueron rotas por las fuerzas de marea, emiten una radiación característica en el dominio de las ondas milimétricas (luz no visible para el ojo).

Esta radiación podría revelar los alrededores del agujero negro. La luz milimétrica girando alrededor del agujero negro nos proporcionará, por contraste, mucha información sobre el agujero negro (su fuerza de gravedad, cómo distorsiona el espacio-tiempo, efectos de lentes gravitacionales, etc.). En resumen, aunque invisible, un agujero negro "ilumina" a su manera la materia que atrae.

¡Un agujero negro iluminado por la materia!

La imagen de arriba representa un agujero negro iluminado por la materia que ha calentado.

Utilizando la técnica de interferometría de muy larga base, los astrónomos crearon un telescopio gigante virtual cuyo diámetro es tan grande como la distancia que los separa (unos 10,000 km). Combinaron ocho radiotelescopios repartidos por nuestro planeta (Europa, Chile, Estados Unidos, Hawái y la Antártida).

Los objetivos eran los dos agujeros negros más "visibles" desde la Tierra. El primer objetivo fue Sagittarius A* (Sgr A), el agujero negro ubicado en el centro de nuestra Vía Láctea, a 26,000 años luz de nosotros, con una masa igual a 4.1 millones de veces la del Sol. El otro objetivo fue el agujero negro supermasivo 1,500 veces Sagittarius A* (6 mil millones de masas solares), ubicado a 50 millones de años luz en el corazón de la galaxia elíptica gigante M87.

Los equipos de EHT solo tenían una ventana de aproximadamente dos semanas cada año para intentar observaciones agrupadas. Para construir la imagen de alta resolución, los físicos tuvieron que combinar posteriormente las señales captadas por las diferentes antenas de la red con sus propios relojes atómicos. Los tiempos de llegada de las señales son precisos a una décima de milmillonésima de segundo. Luego compararon y calcularon su punto de origen para reconstruir una imagen global gigantesca.

Una sola noche de observación recopiló 2 petabytes de datos (2 x 10¹⁵). Es posible que dentro de esta montaña de datos se esconda otra información que nos ayude a comprender mejor la física muy particular que reina en el entorno cercano a los agujeros negros. Notablemente, los gigantescos chorros de partículas y radiación que algunos de ellos proyectan en el espacio a velocidades cercanas a la de la luz.

Los discos duros de datos almacenados en la Antártida luego tuvieron que esperar el fin del largo invierno helado para ser transportados al Observatorio Haystack del MIT y al Instituto Max Planck en Bonn. Esta primera imagen de un agujero negro que ves en tu pantalla está compuesta por solo 33 KB de datos (33 x 10³), mil millones de veces más simple que los datos recopilados.

Eso es "ver" para nuestro cerebro, simplificar al extremo la complejidad de lo real. Una simple silueta negra rodeada de una mancha brillante borrosa es suficiente para nuestra felicidad.

La primera simulación de un agujero negro

Descripción de la imagen: La primera simulación (1978) de Jean-Pierre Luminet, un joven investigador del Observatorio de París-Meudon. Fuente de la imagen: EHT Collaboration.

En 1978, Jean Pierre Luminet (1951-), teniendo en cuenta las distorsiones complejas que el fuerte campo gravitacional imprime en el espacio-tiempo y las trayectorias de los rayos de luz que siguen su trama, creó la primera imagen virtual de un agujero negro.

En su simulación, el horizonte de eventos tiene la apariencia de un disco ligeramente aplanado. El campo gravitacional curva tan fuertemente las trayectorias de los rayos de luz cerca del agujero negro que la parte trasera del disco es "elevada". Así, una imagen secundaria nos permite ver la otra cara del disco de acreción, la que se encuentra detrás del agujero negro, que ha tomado la forma de un fino halo de luz adherido al disco negro central. Pero la característica principal de esta simulación es la diferencia de luminosidad entre las diferentes regiones del disco.

El brillo propio es máximo en las áreas más cercanas al horizonte, ya que es allí donde el gas es más caliente. Para un observador lejano, el flujo luminoso recibido se amplifica en el lado de la imagen donde el gas se acerca al observador.

El observador no estando estacionario con respecto al agujero negro, esto introduce una distorsión de las imágenes por efecto Doppler. El agujero negro puede estar animado por un movimiento de rotación y generar una asimetría; el agujero negro ya no es esférico.

Además, el efecto de lente gravitacional causado por el agujero negro amplía el tamaño aparente de su horizonte de eventos.