Un equipo de astrónomos capta la primera imagen de un agujero negro
El Telescopio de Horizonte de Eventos (EHT, Event Horizon Telescope), un conjunto de ocho telescopios instalados en la Tierra distribuidos por todo el planeta y formado gracias a una colaboración internacional, fue diseñado para captar imágenes de un agujero negro. El día 10 de abril de 2019, en seis conferencias de prensa coordinadas por todo el mundo, los investigadores del EHT revelaron que lograron descubrir la primera evidencia visual directa de un agujero negro supermasivo y su sombra.
Este avance revolucionario fue anunciado en una serie de seis artículos científicos publicados en una edición especial de la revista The Astrophysical Journal Letters. La imagen revela el agujero negro que hay en el centro de Messier 87 (M87) [1], una galaxia masiva en el cercano cúmulo de galaxias Virgo. Este agujero negro se encuentra a 55 millones de años luz de la Tierra y tiene una masa de 6500 millones de veces la del Sol [2].
El EHT une a telescopios de todo el mundo para formar un telescopio virtual sin precedentes del tamaño de la Tierra [3]. El EHT ofrece a los científicos una nueva forma de estudiar los objetos más extremos del universo, predichos por la relatividad general de Einstein, durante el año del centenario del histórico experimento que confirmó la teoría por primera vez [4].
“Hemos tomado la primera fotografía de un agujero negro”, afirmó el director del proyecto EHT, Sheperd S. Doeleman, del Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian. “Es una extraordinaria hazaña científica lograda por un equipo de más de 200 investigadores”.
Los agujeros negros son objetos cósmicos extraordinarios con enormes masas pero con tamaños extremadamente compactos. La presencia de estos objetos afecta a su entorno de maneras extremas, deformando el espacio-tiempo y sobrecalentando cualquier material circundante.
“Si está inmerso en una región brillante, como un disco de gas que refulge intensamente, podemos esperar que un agujero negro cree una región oscura similar a una sombra, algo predicho por la relatividad general de Einstein que nunca habíamos visto antes”, explicó el presidente del Consejo Científico del EHT, Heino Falcke, de la Universidad de Radboud, en Países Bajos. "Esta sombra, causada por la flexión gravitacional y la captura de luz por parte del horizonte de sucesos, revela mucho sobre la naturaleza de estos objetos fascinantes y nos ha permitido medir la enorme masa del agujero negro de M87."
Utilizando métodos de calibración múltiple y métodos de imagen, se ha descubierto la presencia de una estructura en forma de anillo con una región central oscura —la sombra del agujero negro— que persistió durante varias observaciones independientes llevadas a cabo por el EHT.
“Cuando estuvimos seguros de que habíamos captado la imagen de la sombra, pudimos comparar nuestras observaciones con una extensa biblioteca de modelos computacionales que incluyen la física del espacio curvo, materia súper caliente e intensos campos magnéticos. Muchas de las estructuras en la imagen coinciden sorprendentemente bien con la predicción teórica”, comenta el miembro del Consejo del EHT, Paul T.P. Ho, director del Observatorio de Asia del Este. “Esto nos permite confiar en la interpretación de nuestras observaciones, incluyendo la estimación de la masa del agujero negro”.
Más de 200 investigadores formaron parte de este trabajo. Entre ellos, los Dres. Neil Nagar y Venkatessh Ramakrishnan, académico y postdoc del Departamento de Astronomía de la Universidad de Concepción, respectivamente, quienes con su aporte transformaron a la UdeC en la única casa de estudios chilena en ser parte de este hito astronómico. “Este descubrimiento viene a ser una de las pruebas más finas que ha pasado la teoría de la relatividad general de Einstein, la que tiene aproximadamente 100 años de existencia. Esto porque el descubrimiento se sitúa en el límite de una fuerte gravedad (horizonte de eventos, muy cerca de un agujero negro), lo que lo facilita la detección de pequeñas diferencias entre la observación y la teoría; y la teoría sobrevivió… por ahora”, analiza el Dr. Neil Nagar.
“La imagen que obtuvimos es la evidencia más fuerte y directa que comprueba la existencia de agujeros negros supermasivos (con masa de millones de veces la masa del Sol). Anteriormente, la confirmación de la existencia de agujeros negros con masas de 10 veces la masa del Sol había sido a través de la detección de ondas gravitacionales”, puntualiza Nagar.
"La confrontación de la teoría con la observación es siempre un momento crucial para un teórico. Ha sido motivo de alivio y orgullo concluir que las observaciones coincidían tan bien con la predicción", agrega el miembro de Consejo de EHT Luciano Rezzolla, de la Universida de Goethe, Alemania.
La creación del EHT fue un reto formidable que requirió de la actualización y conexión de una red mundial de ocho telescopios preexistentes, situados en múltiples emplazamientos a una altitud desafiante. Estos lugares incluyen volcanes en Hawái y México, las montañas de Arizona y Sierra Nevada española, el desierto chileno de Atacama y la Antártida.
Las observaciones del EHT utilizan una técnica llamada interferometría de muy larga base (VLBI, Very-Long-Baseline Interferometry) que sincroniza los telescopios ubicados en instalaciones de todo el mundo y explota la rotación de nuestro planeta para formar un enorme telescopio del tamaño de la Tierra, observando en una longitud de onda de 1,3 mm. VLBI permite al EHT alcanzar una resolución angular de 20 microsegundos de arco (suficiente para leer un periódico en Nueva York desde un café de París) [5].
Los telescopios que han contribuido a este resultado fueron ALMA, APEX,en Chile, el telescopio IRAM de 30 metros, el Telescopio James Clerk Maxwell, el Gran Telescopio Milimétrico Alfonso Serrano, el Conjunto Submilimétrico, el Telescopio Submilimétrico y el Telescopio del Polo Sur [6]. Unos superordenadores, altamente especializados y ubicados en el Instituto Max Planck de Radioastronomía y el Observatorio Haystack del MIT, combinaron petabytes (1 petabyte = 1.024 terabytes) de datos brutos procedentes de estos telescopios.
“Es una satisfacción para ESO haber podido contribuir, de manera significativa, en este resultado a través de su liderazgo europeo y su papel fundamental en dos de los telescopios que componen el EHT, ubicados en Chile — ALMA y APEX” [7], comentó el Director General de ESO, Xavier Barcons. "ALMA es la instalación con mayor sensibilidad del EHT, y sus 66 antenas de alta precisión fueron críticas a la hora de hacer que el EHT sea un éxito”.
La construcción del EHT y las observaciones anunciadas hoy representan la culminación de décadas de trabajo observacional, técnico y teórico. Este ejemplo de trabajo en equipo global requirió de una estrecha colaboración por parte de investigadores de todo el mundo. Trece instituciones trabajaron juntas para crear el EHT, usando tanto infraestructuras preexistentes como el apoyo de una gran variedad de organismos. La financiación clave fue proporcionada por la NSF (National Science Foundation), el ERC (Consejo Europeo de Investigación de la UE) y agencias de financiación de Asia Oriental [8].
“Hemos logrado algo que, hace tan solo una generación, parecía imposible”, concluyó Doeleman. "Los avances revolucionarios de la tecnología, las conexiones entre los mejores observatorios de ondas de radio del mundo y los innovadores algoritmos, todo esto junto, ha abierto una ventana totalmente nueva para el estudio de los agujeros negros y el horizonte de sucesos”.
Notas
[1] La sombra de un agujero negro es lo más cerca que podemos estar de una imagen del agujero negro, un objeto totalmente oscuro del que la luz no puede escapar. El límite del agujero negro —el horizonte de sucesos del que el EHT toma su nombre— es aproximadamente 2,5 veces más pequeño que la sombra que proyecta y mide casi 40.000 millones de km.
[2] Los agujeros negros supermasivos son objetos astronómicos relativamente pequeños, lo que ha hecho imposible observarlos directamente hasta ahora. Dado que el tamaño del horizonte de sucesos de un agujero negro es proporcional a su masa, cuanto más masivo es un agujero negro, mayor será su sombra. Gracias a su enorme masa y su relativa proximidad, se predijo que el agujero negro de M87 sería uno de los más visibles desde la Tierra, convirtiéndolo en un blanco perfecto para el EHT.
[3] Aunque los telescopios no están conectados físicamente, son capaces de sincronizar sus datos con relojes atómicos — máser de hidrógeno — que miden con precisión el tiempo de las observaciones. Estas observaciones fueron recogidas en una longitud de onda de 1,3 mm durante una campaña mundial desarrollada en 2017. Cada telescopio del EHT produjo enormes cantidades de datos –aproximadamente 350 terabytes por día– que se almacenaron en discos duros de helio de alto rendimiento. Estos datos se enviaron a superordenadores especializados — conocidos como correladores — instalados en el Instituto de Radioastronomía Max Planck y el Observatorio Haystack del MIT, donde se combinaron. Luego, cuidadosamente, se convirtieron en una imagen utilizando novedosas herramientas computacionales desarrolladas por la colaboración.
[4] Hace cien años, dos expediciones fueron enviadas a Isla Príncipe (frente a las costas de África) y Sobral (Brasil) para observar el eclipse solar de 1919, con el objetivo de probar la relatividad general viendo si la luz de las estrellas se doblaba alrededor de los extremos del Sol, tal y como predijo Einstein. Rememorando estas observaciones, el EHT ha enviado a miembros del equipo a algunas de las aisladas instalaciones de radioastronomía más altas del mundo para poner a prueba, una vez más, nuestra comprensión de la gravedad.
[5] La participación del EAO (East Asian Observatory , Observatorio de Asia Oriental) en el proyecto EHT representa la participación de muchas regiones de Asia, incluyendo China, Japón, Corea, Taiwán, Vietnam, Tailandia, Malasia, India e Indonesia.
[6] Las futuras observaciones del EHT tendrán una sensibilidad sustancialmente mayor gracias a la participación del Observatorio IRAM NOEMA, el Telescopio Groenlandia y el Telescopio Kitt Peak.
[7] El conjunto ALMA, (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) es una instalación astronómica internacional fruto de la colaboración entre el Observatorio Europeo Austral (ESO: Europa, representando a sus estados miembros), la Fundación Nacional para la Ciencia de EE.UU. (NSF, National Science Foundation) y los Institutos Nacionales de Ciencias Naturales de Japón (NINS, National Institutes of Natural Sciences) junto con el Consejo Nacional de Investigación de Canadá (National Research Council), el Ministerio de Ciencia y Tecnología de Taiwán (MOST; Taiwan): el Instituto de Astronomía de la Academia Séneca de Taiwán (ASIAA, Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics) y el Instituto de Astronomía y Ciencias Espaciales de la República de Corea (KASI, Korea Astronomy and Space Science Institute), en cooperación con la República de Chile. Las operaciones de APEX están a cargo de ESO; las del Telescopio de 30 metros está a cargo de IRAM (los socios de IRAM son MPG (Alemania), CNRS (Francia) e IGN (España)); el Telescopio James Clerk Maxwell está operado por EAO; el Gran Telescopio Milimétrico Alfonso Serrano está operado por el INAOE y la UMass; el Conjunto Submilimétrico está operado por el SAO y ASIAA; y el Telescopio Submilimétrico está operado por el ARO (Arizona Radio Observatory). Las operaciones del Telescopio del Polo Sur están a cargo de la Universidad de Chicago y cuenta con instrumentación especializada para el EHT proporcionada por la Universidad de Arizona.
[8] BlackHoleCam es un proyecto financiado por la UE para obtener imágenes, medir y comprender los agujeros negros astrofísicos. El objetivo principal de BlackHoleCam y del Telescopio de horizonte de sucesos (EHT) es hacer la primera imagen del agujero negro de miles de millones de masas solares situado en la galaxia cercana M87 y de su primo más pequeño, Sagitario A*, el agujero negro supermasivo del centro de nuestra Vía Láctea. Esto permite determinar con extrema precisión la deformación del espacio-tiempo causada por un agujero negro.
Neil Nagar
EHT - UDEC
Doctor en Astronomía por la Universidad de Maryland, College Park, EE. UU en 2000, y Bachelor en Ingeniería Electrónica y Magíster en Matemática de Birla Institute of Technology and Science, Pilani, India, en 1993. Su investigación se concentra en galaxias activas, agujeros negros supermasivos, cinemática de galaxias, y rayos cósmicos de altísima energía.
Trabaja con el EHT desde el año 2010. Actualmente, en sub-grupos de galaxias activas, calibración y explotación de datos de ALMA captados durante las observaciones del EHT. El grupo de Nagar está liderando proyectos para medir la masa de agujeros negros supermasivos (incluyendo M87) con ALMA y el VLT, y en identificar más galaxias cercanas para futuras observaciones con el EHT.
Actualmente es profesor del Departamento de Astronomía, U. de Concepción desde el año 2004.
Funciones específicas en ALMA y EHT:
- Proyecto de Fases de ALMA (APP) y APEX: Nagar participó en el APP desde 2009 y contribuyó a la financiación (un total de aproximadamente 5 años postdoc, 80K US$ en equipamiento), instalación de maser y puesta en marcha de APP. El postdoc Nestor Lasso colaboró en programar las tarjetas PIC (insertadas en el correlacionador) y el postdoc Jay Blanchard jugó un papel importante en la instalación y puesta en servicio. Nagar y Blanchard también estuvieron presentes en la mayoría de los esfuerzos depuesta en marcha y observación del telescopio APEX durante el periodo 2014 al presente.
- EHT: Neil Nagar participa desde el año 2009 (comenzando con la APP). La U. de Concepción ha sido miembro del EHT desde su fundación formal e informal. Nagar es co-coordinador del Grupo de Trabajo "AGN y otras ciencias no-horizonte" del EHT. Sus principales contribuciones incluyen análisis de los datasets de ALMA, apoyo en observación en APEX, propuestas de tiempo (e.g., Co-PI de las propuestas M87 y SgrA* a ALMA) y financiamiento (principalmente para postdocs), desarrollo de una muestra de galaxias cercanas (más allá de SgrA* y M87) para observaciones con el EHT, y la determinación de masas de agujeros negros para M87 y otros (futuros) objetivos de EHT.
Venkatessh Ramakrishnanr
EHT - UDEC
Doctor de Ciencia y Tecnología del Espacio por Aalto University, Finlandia, en 2016 y Magíster en Astronomía por University of Turku, Finlandia. Su investigación se concentra en galaxias activas y su variabilidad y cinemática. Trabaja con el EHT desde 2016 y actualmente, en los sub-grupos de galaxias activas, algoritmos de construcción de imágenes y calibración de datos, apoyando las pruebas y observaciones de EHT con el telescopio APEX. Además, parte de su trabajo lo dedica a proyectos para identificar más galaxias cercanas para futuras observaciones con el EHT.
Actualmente se encuentra realizando un postdoctorado en el Departamento de Astronomía., U. de Concepción desde el 2016. Venkatessh fue contratado en un postdoc de ALMA-Conicyt en la U. de Concepción para apoyar el uso científico del EHT. Ha hecho contribuciones significativas al Grupo de Trabajo de Imágenes del EHT, participando así en todos los esfuerzos de imágenes del M87. También se dedica a la obtención de imágenes de los objetivos de EHT AGN. Ramakrishnan trabaja en imágenes de línea continua y espectral de los datos de ALMA procedentes del EHT, proporcionando así una mejor calibración para el EHT, y en destilar una muestra más grande de galaxias cercanas para futuras observaciones con el EHT. Además, está presente en todas las carreras de EHT (puesta en marcha y observación) en APEX.
Información adicional
Este trabajo de investigación se ha presentado en una serie de seis artículos científicos publicados en un número especial de la revista The Astrophysical Journal Letters.
La colaboración del EHT involucra a más de 200 investigadores de África, Asia, Europa, norte y sur de América. La colaboración internacional está trabajando para captar las imágenes más detalladas de agujeros negros hechas jamás gracias a la creación de un telescopio virtual del tamaño de la Tierra. Apoyado por importantes inversiones internacionales, el EHT aúna a telescopios preexistentes que utilizan nuevos sistemas, creando, básicamente, un nuevo instrumento con la mayor capacidad de resolución angular que se haya logrado hasta el momento.
Los telescopios individuales involucrados son: ALMA, APEX, el telescopio IRAM de 30 metros, el Observatorio IRAM NOEMA, el JCMT (telescopio James Clerk Maxwell), el Gran Telescopio Milimétrico (GTM), el Conjunto Submilimétrico (SMA), el Telescopio Submilimétrico (SMT), el Telescopio del Polo Sur (SPT), el Telescopio Kitt Peak y el Telescopio de Groenlandia (GLT).
El consorcio EHT está formado por 13 institutos; el Instituto de Astronomía y Astrofísica de la Academia Séneca, la Universidad de Arizona, la Universidad de Chicago, el Observatorio de Asia oriental, la Universidad Goethe de Frankfurt, el Instituto de Radioastronomía Milimétrica, el Gran Telescopio Milimétrico, el Instituto Max Planck de Radioastronomía, el Observatorio Haystack del MIT, el Observatorio Astronómico Nacional de Japón, el Instituto Perimeter de Física Teórica, la Universidad de Radboud y del Observatorio Astrofísico Smithsonian.
ESO es la principal organización astronómica intergubernamental de Europa y el observatorio astronómico más productivo del mundo. Cuenta con dieciséis países miembros: Alemania, Austria, Bélgica, Dinamarca, España, Finlandia, Francia, Irlanda, Italia, Países Bajos, Polonia, Portugal, el Reino Unido, República Checa, Suecia y Suiza, junto con el país anfitrión, Chile, y con Australia como aliado estratégico. ESO desarrolla un ambicioso programa centrado en el diseño, construcción y operación de poderosas instalaciones de observación terrestres que permiten a los astrónomos hacer importantes descubrimientos científicos. ESO también desarrolla un importante papel al promover y organizar la cooperación en investigación astronómica. ESO opera en Chile tres instalaciones de observación únicas en el mundo: La Silla, Paranal y Chajnantor. En Paranal, ESO opera el Very Large Telescope junto con su interferómetro VLTI (Very Large Telescope Interferometer), el más avanzado del mundo, así como dos telescopios de rastreo: VISTA (siglas en inglés de Telescopio de Rastreo Óptico e Infrarrojo para Astronomía), que trabaja en el infrarrojo, y el VST (VLT Survey Telescope, Telescopio de Rastreo del VLT), que rastrea en luz visible. También en Paranal, ESO albergará y operará el Conjunto de Telescopios Cherenkov Sur, el observatorio de rayos gamma más sensible y más grande del mundo. ESO también es socio de dos instalaciones en Chajnantor, APEX y ALMA, actualmente el mayor proyecto astronómico en funcionamiento del mundo. Finalmente, en Cerro Armazones, cerca de Paranal, ESO está construyendo el ELT (Extremely Large Telescope), de 39 metros, que llegará a ser “el ojo más grande del mundo para mirar el cielo”.
Celeste Burgos Badal
Comunicaciones Departamento de Astronomía UdeC
