Hablar de la imagen de un agujero negro puede sonar algo contradictorio porque, como se sabe, son invisibles por derecho propio. Pero también sabemos que su atracción es ineludible, se tragan cualquier cosa que se les acerca lo suficiente, incluso la luz es presa de su abismo gravitacional. Aun así, estos misteriosos objetos tienen una región al borde de la zona del no-retorno, donde la luz persiste y se muestra describiendo patrones que pueden revelar la presencia al acecho de un agujero negro.
Ahora, un equipo internacional de astrónomos, incluidos investigadores del Observatorio Haystack del MIT, ha capturado la luz alrededor de nuestro propio agujero negro supermasivo. Se trata de la primera imagen de Sagitario A* (abreviado como Sgr A*), que es como se denomina al gigante que acecha en el corazón de la Vía Láctea.
La imagen fue creada por el Event Horizon Telescope (EHT), una red global de radiotelescopios cuyos movimientos están coreografiados para que funcionen como un telescopio virtual del tamaño de nuestro planeta. El telescopio lleva el nombre de «horizonte de eventos», el límite del agujero negro más allá del cual no puede escapar la luz. Los investigadores enfocaron la matriz EHT en el centro de nuestra galaxia, a 27.000 años luz de la Tierra, atravesando la atmósfera de la Tierra y el plasma turbulento que abunda a las afueras de nuestro sistema solar.
La imagen resultante revela a Sgr A* por primera vez, y lo muestra con la forma de un anillo de luz brillante con forma de rosquilla. Esta estructura de anillo se encuentra justo antes del horizonte de sucesos, la región más allá de la cual la luz no puede escapar, y es el resultado de la curvatura en el recorrido de la luz, causada por la enorme gravedad del agujero negro. El brillante anillo rodea un centro oscuro, descrito como la «sombra» del agujero negro.
Muy caliente y muy compacto
Se estima que este anillo de plasma blanco supercaliente alcanza los 10 mil millones de Kelvins, o 18 mil millones de grados Fahrenheit. A juzgar por las dimensiones del anillo, Sgr A* tendría unos 4 millones de veces la masa del sol y es increíblemente compacto, podría caber holgadamente dentro la órbita de Venus.
Es importante mencionar que la imagen es la primera confirmación visual de que existe un agujero negro en el centro de nuestra galaxia. Los astrónomos han observado, con anterioridad, estrellas que giran alrededor de un objeto invisible, masivo y extremadamente denso, señales inequívocas de que existe un agujero negro supermasivo. La imagen revelada hoy proporciona la primera evidencia visual de que este misterioso objeto es un agujero negro. Luego lo más sorprendente es que sus dimensiones se corresponden con las predicciones basadas en la teoría de la relatividad general de Einstein.
“Es notoriamente difícil reconstruir imágenes de una matriz muy dispersa como la EHT, y se ha requerido tanto rigor como ingenio para comprender y cuantificar adecuadamente las incertidumbres”, dice Colin Lonsdale, director del Observatorio Haystack del MIT. “El resultado es todo un hito en nuestra comprensión de los agujeros negros en general, pero también explica mucho lo que sucede en el centro de nuestra galaxia en particular”.
La imagen y los análisis que la acompañan fueron presentados hoy en una serie de artículos publicados, en una edición especial de The Astrophysical Journal Letters. Los hallazgos son el resultado del trabajo de más de 300 investigadores de 80 instituciones, incluido el MIT, que juntos conforman la Colaboración del Telescopio Event Horizon.
Muy distintos, pero se observan muy similares
La nueva imagen de Sgr A* sucede a la primera imagen de un agujero negro, que fue obtenida por el EHT en 2019. Esa imagen innovadora correspondió a M87*, el agujero negro supermasivo en el centro de Messier 87, una galaxia ubicada 53 millones de años luz de la Tierra.
Los dos agujeros negros tienen un aspecto notablemente similar, aunque el agujero negro de nuestra galaxia es más de mil veces más pequeño y menos masivo que M87*. Este último es un goliat comparado con Sgr A*, con una masa de 6.500 millones de soles y un tamaño que fácilmente podría tragarse todo el sistema solar. «Tenemos dos tipos completamente diferentes de galaxias y dos masas de agujeros negros muy diferentes, pero cerca del borde de estos agujeros negros se ven increíblemente similares», dice Sera Markoff, copresidente del Consejo de Ciencias de EHT y profesor de astrofísica teórica, en la Universidad de Amsterdam, Países Bajos. «Esto nos dice que la Relatividad General gobierna estos objetos de cerca, y cualquier diferencia que veamos más lejos tiene que explicarse con las diferencias en el material que los rodea».
Los agujeros negros son los únicos objetos que conocemos donde la masa aumenta con el tamaño. Un agujero negro mil veces más pequeño que otro también es mil veces menos masivo. La similitud entre las dos imágenes confirma otra predicción de la relatividad general: que todos los agujeros negros son iguales, sin importar su tamaño.
«Ahora tenemos una imagen consistente, demostrando que la relatividad general se cumple en ambos extremos de las variedades de agujeros negros supermasivos», dice Kazunori Akiyama, miembro de la colaboración EHT, científico investigador del Observatorio Haystack del MIT.
Sgr A* es más difícil de observar que M87
Las imágenes de ambos agujeros negros se obtuvieron sobre la base de los datos tomados por el EHT de las respectivas fuentes en 2017. Sin embargo, llevó mucho más tiempo y esfuerzo interpretar los datos de Sgr A*, debido a que es más pequeño y su ubicación dentro de nuestra propia galaxia dificulta la observación.
El gas en las cercanías de los agujeros negros se mueve a la misma velocidad: casi tan rápido como la luz, alrededor de Sgr A* y M87. Pero donde el gas tarda de días a semanas en orbitar M87, en Sgr A, mucho más pequeño, completa una órbita en algunos minutos. Esto significa que el brillo y el patrón del gas alrededor de Sgr A estaba cambiando rápidamente mientras la Colaboración EHT lo observaba, un poco como tratar de tomar una imagen clara de un cachorro persiguiéndose rápidamente la cola, mucho más difícil que fotografiar un cachorro corriendo a la misma velocidad por un gran parque.
El hecho de que Sgr A* se encuentre en nuestra propia galaxia también presentó un desafío para lograr esta imagen. M87* está ubicada en una galaxia que pose un desplazamiento en su plano galáctico respecto de la nuestra, por lo que es más fácil de ver. Por el contrario, Sgr A* se encuentra en el centro de nuestro propio plano galáctico, donde abundan zonas de gas caliente y plasma turbulento, que interfieren cualquier emisión del agujero negro que podamos captar en la Tierra.
“Es como tratar de ver a través del aire caliente que sopla un motor a reacción”, dice Akiyama. “Fue muy complicado, y por eso esta imagen tardó más en resolverse”.
Cinco pentabytes de datos para una sola imagen
Debido a que el agujero negro está a unos 27.000 años luz de la Tierra, para nosotros tiene aproximadamente el mismo tamaño en el cielo que una rosquilla en la Luna. Para capturar una imagen clara de Sgr A*, los astrónomos debieron coordinar ocho observatorios de radio en todo el mundo para que actuaran como un único telescopio virtual, que apuntaron al centro de la Vía Láctea durante varios días en abril de 2017. El EHT observó a Sgr A* en el curso de varias noches, recopilando datos durante muchas horas seguidas, de forma similar al empleo de un tiempo de exposición prolongado en una cámara. Cada observatorio registró datos de la luz entrante utilizando sistemas de almacenamiento de alta velocidad desarrollados en el Observatorio Haystack. Esta tecnología fue diseñadas para procesar una enorme cantidad de datos a velocidades de 4 gigabytes por segundo.
Después de recopilar un total de 5 petabytes de datos, que incluyeron observaciones tanto de Sgr A* como de M87*, se enviaron discos duros repletos de datos registrados, la mitad a Haystack y la otra mitad al Instituto Max Planck de Radioastronomía en Alemania. Ambas ubicaciones posen Correlators, las supercomputadoras más poderosas del mundo que trabajaron para «correlacionar» los datos, comparando los flujos de datos entre diferentes observatorios y convirtiéndolos en las señales que vería un telescopio del tamaño de un planeta.
El siguiente paso fue calibrar los datos, un proceso muy delicado que consiste en eliminar el ruido de fuentes como los efectos de instrumentación y la propia atmósfera de la Tierra. Esto permitió enfocar de manera efectiva el «espejo» del telescopio virtual en las señales específicas de Sgr A*.
Luego, los equipos de imágenes asumieron la tarea de traducir las señales de radio en una imagen representativa del agujero negro, un desafío mucho más complicado que obtener imágenes de M87*, que era una fuente más grande y constante, que cambiaba muy poco durante varios días. «Sgr A* cambia bastante minuto a minuto, por lo que los datos saltan por todas partes», dice Vincent Fish, miembro de la colaboración de EHT, científico investigador de Haystack. «Ese es el desafío fundamental para obtener imágenes de este agujero negro».
Akiyama, quien lideró los equipos de calibración y generación de imágenes del EHT, desarrolló un nuevo algoritmo para combinar estos datos con los utilizados para generar imágenes de M87*. Los investigadores introdujeron los datos en cada algoritmo para generar miles de imágenes del agujero negro. El resultado fue un promedio de estas imágenes, una imagen principal, que reveló a Sgr A* como una estructura brillante en forma de anillo.
Los científicos están particularmente emocionados de tener finalmente imágenes de dos agujeros negros de tamaños muy diferentes, lo que ofrece la oportunidad de comprender cómo se comparan y contrastan. También han comenzado a utilizar los nuevos datos para probar teorías y modelos sobre cómo se comporta el gas alrededor de los agujeros negros supermasivos. Este proceso aún no se comprende por completo, pero se cree que juega un papel clave en la formación y evolución de las galaxias
El progreso en el EHT continúa: una importante campaña de observación en marzo de 2022 incluyó más telescopios que nunca. La expansión en curso de la red EHT y las valiosas actualizaciones tecnológicas permitirán a los científicos compartir imágenes y películas de agujeros negros aún más impresionantes en un futuro próximo.
“El siguiente paso es, ¿podemos obtener imágenes más nítidas de este anillo?”. Akiyama dice. “Ahora solo podemos ver las características más brillantes. También queremos capturar subestructuras más débiles. Esperamos ver algo más detallado y profundo de estos agujeros negros”.
