Luego de 2 años de análisis, 200 investigadores de 8 radiotelescopios de varias partes del mundo dieron a conocer la primera imagen de un hoyo negro, que se encuentra en el centro de la galaxia elíptica gigante llamada Messier 87 o M87, en la constelación Virgo, a 55 años luz de distancia de la Tierra.
El proyecto Telescopio de Horizonte de Eventos (EHT, por sus siglas en inglés) inició en 2017 con una colaboración científica internacional de una red de telescopios ya existentes en cuatro continentes, incluido México, con los que se conformó una “antena virtual” del diámetro de la Tierra, para reunir la capacidad de captar la imagen de súper ultra alta resolución.
En 10 conferencias de prensa simultáneas (una de ellas en la Ciudad de México) llevada a cabo el 10 de abril de 2019 y 6 artículos científicos en la revista The Astrophysical Journal Letters, los astrónomos y radioastrónomos integrantes de los distintos equipos mostraron la primera imagen real de estos objetos predichos por primera vez por Albert Einstein en la Teoría General de la Relatividad, en 1915.
La imagen muestra el hoyo negro M87 como una sombra circular llamada singularidad y es tan obscuro que nada, ni la luz, pueden escapar de él. Tiene forma de esfera rodeada de fotones y produce una luz rojiza-amarilla que es parte de un disco de energía y materia que gira alrededor del agujero llamado “disco de acreción”.
La zona más cercana al objeto masivo se conoce como “horizonte de eventos o sucesos”, de ahí el nombre del proyecto. Pero también cuenta con chorros de energía y materia que son expulsados a velocidades supersónicas y que se estiran a lo largo de miles de años luz.
En la imagen captada se puede observar un anillo de luz y materia alrededor de la sombra del hoyo, que giran a gran velocidad y desprenden materia y luz como si fuera un esmeril gigante que al cortar el metal por la fricción produce chispas. En la parte inferior la luz es más intensa, es la energía y materia que se expulsa en dirección a la Tierra, y en la parte superior la luz es más tenue, es la que se aleja en dirección contraria.
Esta primera imagen brinda un punto de inflexión para la astronomía y la física fundamental y abre una nueva era en la que se podrán estudiar los “horizontes de eventos” de los agujeros negros, señala Laurent Loinard, investigador del Instituto de Astronomía de la UNAM y uno de los líderes del grupo de investigadores mexicanos que participan en el EHT. “Esta imagen representa un enorme logro, resultado de años de trabajo, pero a la vez, es solo un principio”.
Para Loinard entre los próximos retos del EHT se encuentra el obtener un video o película de M87 y estudiar a más objetos de este tipo con nuevas imágenes, incluido el hoyo negro de nuestra galaxia llamado Sagitario A*, cuya imagen podría ser revelada en 2020.
¿Qué son los hoyos negros?
Son extraordinarios objetos cósmicos, los más densos y pesados que se conocen, pero de tamaño compacto. Hay varios tipos y en esencia poseen una gran fuerza gravitacional y magnética.
Muchos se forman a partir de estrellas muertas y son conocidos como hoyos negros estelares, que se distribuyen a lo largo de las galaxias. Estas estrellas son gigantes bolas de gas caliente en cuyo interior ocurren reacciones termonucleares. Su fuerza gravitatoria las comprime, pero su gas las expande, por lo que la mayor parte de su vida transcurre en equilibrio hasta que cesa la reacción termonuclear. Entonces inicia su fin: sus capas externas son expulsadas (el 10% de su masa), produciendo una nebulosa, y las capas internas se colapsan y comprimen hasta formar una enana blanca inactiva que se enfría lentamente.
Esto ocurre con estrellas del tamaño y masa de nuestro Sol: se comprimen tanto hasta alcanzar casi el tamaño de la Tierra y terminan su vida como enanas blancas. Pero hay estrellas más grandes, de entre 1.4 y 3 veces el tamaño solar, que se convierten en estrellas de neutrones, casi tan densas como un hoyo negro. Si esta compresión ocurriera con nuestro planeta, se convertiría en una esfera pesada de tan solo tres centímetros de diámetro.
Cuando las estrellas tienen de 3 a 100 masas solares se convierten en hoyos negros de baja masa. También hay aquellos de masa intermedia de centenas y centenas de miles de masas solares. Sin embargo, hay otro tipo de agujeros negros: los súpermasivos. Habitualmente se encuentran en el centro de casi todas las galaxias y llegan a tener entre un millón y 10 mil millones de masas solares.
Aún se desconoce su origen, pero posiblemente se formaron a partir de muchas estrellas masivas transformadas en hoyos negros que se fusionaron hasta formar esos colosales objetos, o bien, se produjeron del colapso de una enorme nube de gas en el centro de las galaxias. Ese es el probable origen de M87 y del agujero negro en el centro de nuestra galaxia Sagitario A*.
Algunos agujeros negros son más activos que otros, algunos atraen grandes cantidades de gas y materia, mientras que otros muy poco. Por ejemplo, Sagitario A* es poco activo, su disco de acreción es débil a pesar de tener 4 millones de veces la masa del Sol. En cambio, M87 es un hoyo voraz que no solo tiene un brillante disco de acreción, sino que también lanza un chorro brillante y rápido de energía y materia que se estira a lo largo de 5 mil años luz.
Aunque la imagen popular de un agujero negro es como una aspiradora gigante que absorbe toda la materia cercana, en realidad es relativamente difícil que la materia caiga en un agujero negro. Si la materia no está lo suficientemente cerca puede orbitar el agujero negro de manera indefinida. Hay un proceso que se llama acreción y es impulsado por la fricción. A medida que la materia, en forma de gas, cae en el hoyo negro, pierde energía gravitacional y se calienta por la fricción. Esta fricción hace que la materia se caliente al formar el disco caliente de gas alrededor del agujero y cae, haciéndolo crecer. Esta actividad calienta la materia a niveles extremos y emite gran cantidad de energía, principalmente rayos X. Esas emisiones son las que se pueden observar con los radiotelescopios.
Debido a que los agujeros negros son tan masivos, pero al mismo tiempo tan compactos, la materia necesita perder mucha energía para caer por completo. Como resultado, algunos discos de acreción alrededor de los hoyos negros súpermasivos son increíblemente brillantes debido a la fricción y pueden ser más luminosos que miles de millones de estrellas juntas.
El M87 es un hoyo negro súpermasivo con 6 mil 500 millones de veces la masa de nuestro Sol y un tamaño seis veces mayor al Sistema Solar y, aunque no emite luz, hasta ahora se sabía de su existencia por los efectos que causa en sus alrededores, es decir, por observaciones indirectas. Es muy activo y por ello se convirtió en el objeto ideal para ser captado por primera vez por el EHT.
Observar un hoyo negro
La imagen de la sombra del hoyo negro es lo más que podemos acercarnos al propio agujero negro, y la de M87 además confirma las predicciones teóricas de Albert Einstein en su Teoría General de la Relatividad que introduce el concepto de espacio-tiempo y señala que la luz cercana a objetos masivos con fuerzas gravitatorias intensas es curveada en un Universo curvo.
Gracias a las aportaciones de otros científicos como Karl Schwarzschild, Subrahmanyan Chandrasekhar, Kip Thorne y Stephen Hawking fue posible conocer otras características de los hoyos negros (muchas se desconocen todavía) y sin el desarrollo tecnológico de los últimos 10 años no hubiera sido posible el proyecto EHT.
Las observaciones de EHT utilizan una técnica llamada interferometría de línea de base muy larga (VLBI, por sus siglas en inglés), que sincroniza las instalaciones de los radiotelescopios de todo el mundo y explota la rotación de nuestro planeta para formar un enorme telescopio virtual del diámetro de la Tierra capaz de llevar a cabo observaciones a una resolución angular de 20 microarcosegundos, suficiente para leer un periódico de Nueva York desde un café parisino.
La participación de México se lleva a cabo con mediciones del Gran Telescopio Milimétrico, construido en el Volcán Sierra Negra en Puebla. Su ubicación geográfica y el tamaño de su antena de 50 metros le permitieron contribuir para mejorar la calidad de la imagen.
Además forman parte de este proyecto el Atacama Pathfinder Experiment (APEX), de Chile; el Gran Arreglo Milimétrico y Submilimétrico de Atacama (ALMA), del Observatorio Europeo Austral; el Telescopio IRAM de 30 metros de diámetro, España; el Telescopio James Clerk Maxwell (JCMT), Hawái, Estados Unidos; el Arreglo Submilimétrico (SMA), Maunakea, Hawái; el Telescopio Submilimétrico (SMT), Arizona, Estados Unidos; el Telescopio del Polo Sur (SPT), Antártida; y el Telescopio de Groenlandia (GLT), en Thule Air Base, Groenlandia, Dinamarca.
Todos estos radiotelescopios observan el Universo en un espectro diferente al visible, por ello, en lugar de tener lentes usan grandes antenas de radio capaces de detectar las emisiones de rayos X y otras longitudes de onda que son emanadas por los agujeros negros y otros objetos.
Aunque los telescopios que conforman el EHT no están conectados físicamente, sincronizaron sus datos y observaciones con relojes atómicos. Estas observaciones fueron realizadas simultáneamente durante cuatro días de abril de 2017.
Al unir los telescopios existentes con sistemas novedosos, el EHT aprovecha una considerable inversión global que ya existía para crear un instrumento “nuevo” con el poder de resolución angular más grande posible desde la superficie de la Tierra.
Cada telescopio produjo enormes cantidades de datos que se almacenaron en discos duros de helio de alto rendimiento. Todos los datos se enviaron a supercomputadoras especializadas ubicadas en el Instituto de Radioastronomía Max Planck y en el Observatorio Haystack del Instituto Tecnológico de Massachusetts donde, gracias a novedosos algoritmos, se pudieron materializar en una imagen.
En este proyecto, que muy probablemente recibirá el Premio Nobel de Física en los próximos años, participan 12 investigadores mexicanos del Gran Telescopio Milimétrico del Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica, y de los institutos de Radioastronomía y Astrofísica, y de Astronomía de la UNAM, todos encabezados por Laurent Loinard y David Hughes.
Ahora, casi un siglo después de la primera referencia sobre la existencia de un hoyo negro, ya se tiene la primera imagen que nos permite observarlos en acción y que nos brinda más información sobre su naturaleza, pero sobre todo, la imagen contribuye al conocimiento humano del Universo, lo cual es tan valioso para el intelecto como una obra de arte, una composición musical o una creación literaria.
