No sólo se trató de una hazaña. Para esto sirve “capturar” un agujero negro

El 12 de mayo “vimos por primera vez”, en conferencias de prensa simultáneas de la colaboración Event Horizon Telescope (EHT), la silueta del agujero negro supermasivo que habita en el centro de nuestra galaxia: Sagitario A*. Este objeto compacto recibe ese nombre por la constelación de Sagitario donde se encuentra ubicado. Sagitario A* (o Sgr A*) es un agujero negro con una masa de 4 millones de veces la masa de nuestro Sol, un verdadero gigante. A la luz emitida por el material supercaliente que rodea este objeto le tomó 27000 años en alcanzar nuestros telescopios. En la imagen, la silueta tiene una extensión equivalente a la órbita que barre Mercurio alrededor del Sol. (Lea Mujeres en la ciencia en Colombia: la brecha también se nota en las publicaciones)

Para lograr “ver” este objeto, por definición oscuro, se requirió generar un arreglo de 8 radiotelescopios en diferentes puntos del planeta, alcanzando una imagen con una resolución análoga a avistar una dona en la superficie de la Luna a simple vista desde la Tierra. Esta gran proeza de la ingeniería hubiese sido imposible sin el trabajo mancomunado de los más de 300 científicos involucrados en el proyecto alrededor del mundo. (Lea Las increíbles imágenes que dejó el eclipse de Luna en el mundo)

Pero, ¿qué es lo que realmente estamos viendo en esta imagen tan difundida por estos días?

La silueta de este “gigante gentil”, como lo denominaron en rueda de prensa, por su baja actividad y reducida tasa de acreción de materia, es la reconstrucción de centenares de imágenes superpuestas de la radiación cuya trayectoria es doblada por el inmenso campo gravitacional alrededor del agujero negro. El anillo brillante muestra la radiación que calienta el gas del ambiente del objeto compacto. Este material, que en la visualización toma forma de dona, se encuentra muy cerca, pero no ha penetrado el horizonte de eventos o punto de no retorno, una región donde ni siquiera la luz puede escapar. En el centro, el área oscura contiene el horizonte de eventos que recubre la singularidad.

Para capturar esta “fotografía” de la sombra de Sgr A* se usó una colección de poderosas radioantenas ubicadas desde Hawai hasta España, de Estados Unidos hasta la Antártida. Sin embargo, la gran diferencia la hizo el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) en Chile -por la alta sensibilidad alcanzada por la colección de 66 antenas ubicadas en el desierto de Atacama-. Por separado, ninguno de estos telescopios sería capaz de resolver este objeto, pero en conjunto estos instrumentos forman un telescopio con un tamaño equivalente a la Tierra.

La técnica que usa la colaboración EHT se conoce como VLBI (Interferometría de muy larga línea de base, por sus siglas en inglés), y ya había revelado la imagen del agujero negro supermasivo de la galaxia Messier 87 (M87) en abril de 2019.

Al comparar a Sagitario A*, ubicado en el centro de la Vía Láctea, con el agujero negro de M87, encontramos que el segundo es 1500 veces más masivo. El centro de M87 se ubica a 55 millones de años luz de la Tierra, y muestra un poderoso jet y una cantidad gigantesca de acreción de masa. Las siluetas de ambos agujeros negros, sin embargo, lucen muy parecidos en forma y tamaño angular.

Pero es la primera vez que “vemos” a Sagitario A*. En 1933, Karl Jansky reportó una señal de radio proveniente del centro de la galaxia, en la constelación de Sagitario, que se confirmó en diferentes observaciones posteriores. En los noventa, Reinhard Genzel estudió este objeto ultracompacto usando espectroscopia de infrarrojo y longitudes de onda más largas, y más recientemente, dos grupos de investigación independientes han seguido por años la órbita de las estrellas en las inmediaciones del agujero negro supermasivo. A partir de las observaciones se encontró la masa estimada del objeto responsable de estas órbitas. Este estudio llevó a Andrea Ghez (UCLA) y Reinhard Genzel (LMU) a ser galardonados con el premio Nobel de Física en 2020.

El concepto de agujero negro no es nuevo. Desde el siglo XVIII, John Michell, filosofo natural inglés, usó la idea de velocidad de escape para hipotetizar la existencia de estrellas negras, objetos cuya densidad es tan alta que ni siquiera la luz es capaz de escapar de su influjo gravitacional. Por la misma época, Immanuel Kant teorizó que debían existir objetos con una masa muy grande en el centro de las galaxias, anticipando la idea moderna de agujeros negros supermasivos en el corazón de las galaxias mayores. Incluso, Edgar Alan Poe, el escritor estadounidense, hizo interesantes predicciones de cosmología que fueron pasadas por alto en su tiempo, incluyendo objetos muy masivos con poderosos efectos en su derredor.

La descripción moderna de estos gigantes gravitacionales surge de la Teoría General de la Relatividad, una de las geniales contribuciones de Albert Einstein. La primera solución de las ecuaciones de campo se debe a Karl Schwarszchild, y fueron publicadas en 1916 mientras servía en la Guerra Mundial I por el ejército alemán. Sus ecuaciones describen un agujero negro resultado del colapso gravitacional de una estrella. Soluciones subseguientes incluyen agujeros negros que además de masa, presentan rotación y carga eléctrica.

La teoría de gravitación de Einstein también predice la deflexión de la luz por la presencia de masa en el espacio-tiempo, las dimensiones del horizonte de eventos o la generación de ondas gravitacionales por fusión de objetos muy masivos.

En este punto es importante advertir que el agujero negro en el centro de nuestra galaxia no va a engullir al Sistema Solar ni estrellas cercanas al mismo, de la misma manera que los planetas en el Sistema Solar mantienen órbitas estables alrededor del Sol, sin que este último los arrastre a su centro. Es un delicado balance entre la gravedad y las distancias relativas entre cuerpos con masa.

También debe aclararse que la hazaña de capturar a Sagitario A* representó superar dificultades técnicas como realizar mediciones estando inmersos en la misma galaxia, observar un objeto fuertemente oscurecido por el polvo y gas de la Vía Láctea y corregir las señales obtenidas por la rápida variabilidad de las órbitas alrededor de Sgr A*.

La imagen de la silueta de Sagitario A* no sólo confirma que este objeto es efectivamente un agujero negro y, por tanto, demuestra la validez de la relatividad de Einstein, sino que nos deja como legado importantes avances tecnológicos y conceptuales. Los sofisticados algoritmos de inteligencia artificial, usados por los científicos del EHT para procesar las señales de los telescopios que llegan a una tasa de 4 gigabytes cada segundo, ahora pueden aplicarse en áreas tan diversas como metereología, la banca, seguridad electrónica, telecomunicaciones, análisis de emociones, marketing o redes sociales.

A un nivel más fundamental, el estudio de agujeros negros nos permitirá comprender los mecanismos de formación de agujeros negros supermasivos, la influencia que tienen estos objetos en la evolución de sus galaxias huésped, y la intrincada interacción entre el gas, polvo y la radiación en el vecindario de los agujeros negros. Además, los agujeros negros pueden ser la puerta de entrada a la tan anhelada gravedad cuántica, porque en la singularidad se romperían las leyes de la física como las conocemos.

Tal vez el sueño de los físicos de construir una teoría de la gran unificación podría estar un poco más cerca si entendemos lo que ocurre con el espacio-tiempo cuando se forma un agujero negro. Lo que es cierto, por ahora, es que estamos presenciando un momento histórico desde que comenzamos a estudiar nuestra galaxia: estamos mirando directamente al corazón de ese gran manchón de leche en el cielo nocturno donde se aloja nuestro Sistema Solar.

*Ph.D. en Astronomía - Docente Investigadora Universidad ECCI

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El 12 de mayo “vimos por primera vez”, en conferencias de prensa simultáneas de la colaboración Event Horizon Telescope (EHT), la silueta del agujero negro supermasivo que habita en el centro de nuestra galaxia: Sagitario A*. Este objeto compacto recibe ese nombre por la constelación de Sagitario donde se encuentra ubicado. Sagitario A* (o Sgr A*) es un agujero negro con una masa de 4 millones de veces la masa de nuestro Sol, un verdadero gigante. A la luz emitida por el material supercaliente que rodea este objeto le tomó 27000 años en alcanzar nuestros telescopios. En la imagen, la silueta tiene una extensión equivalente a la órbita que barre Mercurio alrededor del Sol. (Lea Mujeres en la ciencia en Colombia: la brecha también se nota en las publicaciones)

Para lograr “ver” este objeto, por definición oscuro, se requirió generar un arreglo de 8 radiotelescopios en diferentes puntos del planeta, alcanzando una imagen con una resolución análoga a avistar una dona en la superficie de la Luna a simple vista desde la Tierra. Esta gran proeza de la ingeniería hubiese sido imposible sin el trabajo mancomunado de los más de 300 científicos involucrados en el proyecto alrededor del mundo. (Lea Las increíbles imágenes que dejó el eclipse de Luna en el mundo)

Pero, ¿qué es lo que realmente estamos viendo en esta imagen tan difundida por estos días?

La silueta de este “gigante gentil”, como lo denominaron en rueda de prensa, por su baja actividad y reducida tasa de acreción de materia, es la reconstrucción de centenares de imágenes superpuestas de la radiación cuya trayectoria es doblada por el inmenso campo gravitacional alrededor del agujero negro. El anillo brillante muestra la radiación que calienta el gas del ambiente del objeto compacto. Este material, que en la visualización toma forma de dona, se encuentra muy cerca, pero no ha penetrado el horizonte de eventos o punto de no retorno, una región donde ni siquiera la luz puede escapar. En el centro, el área oscura contiene el horizonte de eventos que recubre la singularidad.

Para capturar esta “fotografía” de la sombra de Sgr A* se usó una colección de poderosas radioantenas ubicadas desde Hawai hasta España, de Estados Unidos hasta la Antártida. Sin embargo, la gran diferencia la hizo el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) en Chile -por la alta sensibilidad alcanzada por la colección de 66 antenas ubicadas en el desierto de Atacama-. Por separado, ninguno de estos telescopios sería capaz de resolver este objeto, pero en conjunto estos instrumentos forman un telescopio con un tamaño equivalente a la Tierra.

La técnica que usa la colaboración EHT se conoce como VLBI (Interferometría de muy larga línea de base, por sus siglas en inglés), y ya había revelado la imagen del agujero negro supermasivo de la galaxia Messier 87 (M87) en abril de 2019.

Al comparar a Sagitario A*, ubicado en el centro de la Vía Láctea, con el agujero negro de M87, encontramos que el segundo es 1500 veces más masivo. El centro de M87 se ubica a 55 millones de años luz de la Tierra, y muestra un poderoso jet y una cantidad gigantesca de acreción de masa. Las siluetas de ambos agujeros negros, sin embargo, lucen muy parecidos en forma y tamaño angular.

Pero es la primera vez que “vemos” a Sagitario A*. En 1933, Karl Jansky reportó una señal de radio proveniente del centro de la galaxia, en la constelación de Sagitario, que se confirmó en diferentes observaciones posteriores. En los noventa, Reinhard Genzel estudió este objeto ultracompacto usando espectroscopia de infrarrojo y longitudes de onda más largas, y más recientemente, dos grupos de investigación independientes han seguido por años la órbita de las estrellas en las inmediaciones del agujero negro supermasivo. A partir de las observaciones se encontró la masa estimada del objeto responsable de estas órbitas. Este estudio llevó a Andrea Ghez (UCLA) y Reinhard Genzel (LMU) a ser galardonados con el premio Nobel de Física en 2020.

El concepto de agujero negro no es nuevo. Desde el siglo XVIII, John Michell, filosofo natural inglés, usó la idea de velocidad de escape para hipotetizar la existencia de estrellas negras, objetos cuya densidad es tan alta que ni siquiera la luz es capaz de escapar de su influjo gravitacional. Por la misma época, Immanuel Kant teorizó que debían existir objetos con una masa muy grande en el centro de las galaxias, anticipando la idea moderna de agujeros negros supermasivos en el corazón de las galaxias mayores. Incluso, Edgar Alan Poe, el escritor estadounidense, hizo interesantes predicciones de cosmología que fueron pasadas por alto en su tiempo, incluyendo objetos muy masivos con poderosos efectos en su derredor.

La descripción moderna de estos gigantes gravitacionales surge de la Teoría General de la Relatividad, una de las geniales contribuciones de Albert Einstein. La primera solución de las ecuaciones de campo se debe a Karl Schwarszchild, y fueron publicadas en 1916 mientras servía en la Guerra Mundial I por el ejército alemán. Sus ecuaciones describen un agujero negro resultado del colapso gravitacional de una estrella. Soluciones subseguientes incluyen agujeros negros que además de masa, presentan rotación y carga eléctrica.

La teoría de gravitación de Einstein también predice la deflexión de la luz por la presencia de masa en el espacio-tiempo, las dimensiones del horizonte de eventos o la generación de ondas gravitacionales por fusión de objetos muy masivos.

En este punto es importante advertir que el agujero negro en el centro de nuestra galaxia no va a engullir al Sistema Solar ni estrellas cercanas al mismo, de la misma manera que los planetas en el Sistema Solar mantienen órbitas estables alrededor del Sol, sin que este último los arrastre a su centro. Es un delicado balance entre la gravedad y las distancias relativas entre cuerpos con masa.

También debe aclararse que la hazaña de capturar a Sagitario A* representó superar dificultades técnicas como realizar mediciones estando inmersos en la misma galaxia, observar un objeto fuertemente oscurecido por el polvo y gas de la Vía Láctea y corregir las señales obtenidas por la rápida variabilidad de las órbitas alrededor de Sgr A*.

La imagen de la silueta de Sagitario A* no sólo confirma que este objeto es efectivamente un agujero negro y, por tanto, demuestra la validez de la relatividad de Einstein, sino que nos deja como legado importantes avances tecnológicos y conceptuales. Los sofisticados algoritmos de inteligencia artificial, usados por los científicos del EHT para procesar las señales de los telescopios que llegan a una tasa de 4 gigabytes cada segundo, ahora pueden aplicarse en áreas tan diversas como metereología, la banca, seguridad electrónica, telecomunicaciones, análisis de emociones, marketing o redes sociales.

A un nivel más fundamental, el estudio de agujeros negros nos permitirá comprender los mecanismos de formación de agujeros negros supermasivos, la influencia que tienen estos objetos en la evolución de sus galaxias huésped, y la intrincada interacción entre el gas, polvo y la radiación en el vecindario de los agujeros negros. Además, los agujeros negros pueden ser la puerta de entrada a la tan anhelada gravedad cuántica, porque en la singularidad se romperían las leyes de la física como las conocemos.

Tal vez el sueño de los físicos de construir una teoría de la gran unificación podría estar un poco más cerca si entendemos lo que ocurre con el espacio-tiempo cuando se forma un agujero negro. Lo que es cierto, por ahora, es que estamos presenciando un momento histórico desde que comenzamos a estudiar nuestra galaxia: estamos mirando directamente al corazón de ese gran manchón de leche en el cielo nocturno donde se aloja nuestro Sistema Solar.

*Ph.D. en Astronomía - Docente Investigadora Universidad ECCI

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