Retrato de un hoyo negro

Sergio de Régules

Imagen: Ute Kraus/Axel Mellinger

El Telescopio del Horizonte de Eventos, un ejército de antenas gigantes distribuidas por todo el mundo, está a punto de captar las primeras imágenes de la superficie de un hoyo negro... o dos.

En su libro sobre hoyos negros, El colapso del Universo, el gran divulgador de la ciencia Isaac Asimov escribió: “Un hoyo no es nada, y si es negro, ni siquiera se ve”. Y hasta hoy, en efecto, ver lo que se dice ver, nadie ha visto un hoyo negro. Es más, ni siquiera teníamos la certeza de que existieran hasta bien entrado este siglo —y la certeza absoluta hasta septiembre de 2015, cuando la colaboración LIGO detectó por primera vez ondas gravitacionales debidas a la fusión de dos hoyos negros—, pero detectar ondas gravitacionales equivale a “oír” hoyos negros, no a verlos (véase ¿Cómo ves? No. 208).

Este mes las cosas podrían cambiar cuando el Telescopio del Horizonte de Eventos (THE) dirija hacia el centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea, su ejército de antenas parabólicas gigantes repartidas del Polo Sur a Estados Unidos y de España a Hawai para tratar de captar la primera imagen de la vecindad inmediata del hoyo negro súper masivo que vive ahí, llamado Sagitario A*. El Gran Telescopio Milimétrico, situado en la cima del volcán Sierra Negra, Puebla, forma parte de esta cohorte de radiotelescopios que funcionarán en concierto entre el 5 y el 14 de abril de 2017 para absorber la radiación de Sagitario A*, atenuada por un viaje de 27 000 años luz, o 250 000 millones de millones de kilómetros, a través de enjambres de estrellas y espesas nubes de gas y polvo galácticos.

El Telescopio del Horizonte de Eventos dirigirá su ejército de antenas parabólicas gigantes al centro de nuestra galaxia para captar la primera imagen de las inmediaciones del hoyo negro súper masivo que vive ahí, en Sagitario A*. Imagen: ESAC. Carreau/NASA.

La guarida de la bestia

Aunque no teníamos la certeza de que existieran los hoyos negros, pocos lo dudaban, porque desde los años 60 se han observado fenómenos celestes que sólo se explican si existen estos objetos ultracompactos de intensísima gravedad. El primer candidato a hoyo negro fue un punto en la constelación del Cisne que emite grandes cantidades de energía en forma de rayos X, Cygnus X-1. Si un agujero negro es una estrella colapsada, en su entorno hay gases y polvo, o incluso otra estrella, como parece ser el caso aquí. El hoyo negro atrae material de la estrella o del entorno gaseoso y polvoriento. Este material forma un remolino alrededor del hoyo negro, como el agua que se va por el drenaje. El material de este “disco de acreción” gira en órbitas apretadas alrededor del hipotético hoyo negro, se calienta por fricción a millones de grados y emite cantidades descomunales de energía en forma de radiación: las inmediaciones de un hoyo negro son lugares muy luminosos. Los rayos X de Cygnus X-1 son el alarido electromagnético de la materia del disco de acreción en la batidora cósmica.

Otro candidato era Centauro A, una galaxia entera con fuertes emisiones de radio en cuyo centro quizá acecha un hoyo negro gigante formado por la fusión de millones de masas estelares.

Pero el caso más convincente y prometedor es Sagitario A*, un punto que emite ondas de radio, microondas, radiación infrarroja, luz y rayos X y que se encuentra exactamente en el centro de nuestra galaxia. En los últimos 15 años, los equipos de Stefan Gillessen, del Instituto Max Planck de Física Extraterrestre, en Alemania, y de Andrea Ghez, de la Universidad de California en Los Ángeles, han observado por medio de radiotelescopios un enjambre de estrellas que revolotean agitadamente alrededor del compactísimo centro de Sagitario A*. Para mantenerlas tan alborotadas, el objeto que las tiene presas debe de tener una masa igual a cuatro millones de veces la del Sol. A juzgar por lo apretado de las órbitas, esa masa está concentrada en un radio menor que el del Sistema Solar. Si, en efecto, es un hoyo negro, su radio será todavía menor: 44 millones de kilómetros, o menos que la distancia del Sol a Mercurio.

Un objeto de ese tamaño y a esa distancia abarca alrededor de una cienmilésima de grado en el cielo, el tamaño aparente de una naranja en la Luna. Por más súper masivo que sea, el hoyo negro del centro de la galaxia es apenas un punto, un piquete de alfiler en la piel del cielo.

Además este punto está inmerso en el velo del material que se interpone entre nosotros y el centro de la Vía Láctea como una perla envuelta en gasa. El material absorbe y desvía la radiación de Sagitario A*, distorsionando cualquier imagen. Es imposible ver el hoyo negro propiamente dicho. O lo era hasta hoy.

Por más súper masivo que sea, el hoyo negro del centro de la galaxia es apenas un punto, un piquete de alfiler en la piel del cielo. La línea blanca indica la frontera de la región sin retorno u horizonte de eventos del hoyo negro: lo que ocurra más allá jamás se podrá ver. Imagen: Ute Kraus/Axel Mellinger.

Horizonte

Asimov, en su libro, añadía: “¿Qué tiene de emocionante una nada invisible?” Y dedicaba el resto del libro a demostrar que mucho.

Imagínense que lanzan una piedra hacia arriba. Mientras más velocidad le impriman al lanzarla, más alto llegará antes de caer. Si la lanzan suficientemente rápido, la piedra subirá y subirá y no caerá nunca: habrá escapado de la gravedad terrestre. La velocidad mínima que se le tiene que imprimir a un objeto lanzado hacia arriba sin más propulsión para que nunca vuelva a tierra se llama velocidad de escape. Como escribe Miguel Alcubierre, físico de la UNAM, en su artículo “Los agujeros negros” en el número 44 de ¿Cómo ves?: “es muy importante decir que una nave espacial, o cualquier objeto con propulsión propia —por ejemplo, una persona subiendo una escalera hasta la Luna o un caracol trepando por una pared suficientemente elevada—, no necesitaría alcanzar la velocidad de escape. La restricción sólo se aplica cuando quieres escapar del objeto celeste de un solo empujón inicial”.

La velocidad de escape de un cuerpo celeste depende de dos cosas: la masa total y el tamaño del cuerpo; o sea que en el fondo depende sólo de una: cuán compacto sea el objeto. Júpiter tiene una masa 330 000 veces mayor que la de la Tierra, pero como es una fofa bola de gas —no un compacto planeta rocoso como el nuestro— su velocidad de escape es sólo unas cinco veces mayor.

Un hoyo negro es un objeto tan compacto, que su velocidad de escape es la velocidad de la luz. En principio, cualquier objeto se puede convertir en hoyo negro si se comprime lo suficiente. Yo tendría que convertirme en una bolita de un décimo de cuatrillonésimo de metro para ser hoyo negro —un átomo es mil trillones de veces más grande—. Para que la Tierra fuera un hoyo negro toda su masa tendría que meterse en una bolita de dos centímetros de diámetro, y la del Sol en seis kilómetros: un estado de la materia verdaderamente extremo, si se puede imaginar. De hecho, no se pudo imaginar hasta mediados del siglo pasado, cuando los astrofísicos encontraron una megaprensa natural capaz producir tales densidades: el colapso gravitacional de una estrella masiva después de hacer explosión.

El radio necesario para transformar un objeto de cierta masa en agujero negro se llama radio gravitacional. Miguel Alcubierre explica: “el radio gravitacional marca la frontera de una región sin retorno: si te encuentras afuera, siempre puedes escapar con una nave lo suficientemente potente. Pero si estás adentro, escapar es imposible y caerás inevitablemente hacia el centro”. Esa frontera se llama también horizonte de eventos: lo que ocurra más allá, jamás se podrá ver ni tendrá ningún efecto. Un hoyo negro es la expresión extrema de la fuerza de gravedad, una región en la que el espaciotiempo se arruga y se desconecta del resto del Universo, la puerta de escape por la que una estrella —o un millón— puede salir del escenario universal dejando sólo el oscuro fantasma de su atracción gravitacional. Pero el horizonte de eventos no es una barrera física. Lo que cae no choca contra nada, simplemente se esfuma del Universo, contribuyendo con su masa a incrementar la del hoyo negro. A eso se refería Asimov cuando escribió que estas nadas invisibles sí son emocionantes.

Simulación por computadora de cómo se vería un hot spot de gas orbitando un hoyo negro. La fuerte gravedad del hoyo negro distorsiona la apariencia del gas cercano brillante y proyecta una silueta; la red de coordenadas (líneas verdes) también se distorsionan por la gravedad. Imagen: A. Broderick-CITA/A. Loeb-CfA.

Coro celestial

El THE es un telescopio virtual. Funciona como el coro virtual del compositor Eric Whitacre, integrado por miles de videos enviados por personas repartidas por todo el mundo, cada una cantando en su casa una de las partes vocales de una pieza coral de Whitacre. El compositor pone en YouTube videos de sí mismo dirigiendo la pieza con movimientos de las manos para indicar la duración de cada nota y la entrada de cada voz. Cada pesona canta por su cuenta, en su casa, pero todos siguen el video coordinador de Whitacre. El THE es algo parecido, pero en lugar de cantantes, los participantes son radiotelescopios, o conjunto de radiotelescopios, coordinados por relojes maestros ultraprecisos. El director del proyecto, Sheperd Doeleman, del Observatorio Haystack del Instituto Tecnológico de Massachusetts, espera obtener una imagen tan detallada de Sagitario A* como si se hubiera tomado con un telescopio del tamaño de la Tierra.

El año pasado Doeleman vino a México para probar el funcionamiento del THE desde el Gran Telescopio Milimétrico (GTM), observatorio construido y operado por el Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica, con sede en Tonantzintla, Puebla, y la Universidad de Massachusetts en Amherst. El nombre de este telescopio puede parecer una contradicción. “Gran” se refiere al tamaño: es una antena de 50 metros de diámetro que desde un avión se ve como una flor blanca abierta al cielo en la cima del volcán Sierra Negra. “Milimétrico” le viene de la radiación que está diseñado para captar: ondas de radio de hasta unos cuantos milímetros de longitud de onda (para comparar, las ondas de luz son mil veces más pequeñas y las ondas de radio que usa el sistema Bluetooth son cien veces más grandes). Ésta es la radiación que más fácilmente escapa de la vaporosa envoltura de Sagitario A* y que nos permitirá escudriñar el centro de la galaxia con vista de águila.

En los últimos años, además del GTM se han construido muchos otros observatorios de ondas milimétricas, pero hasta la década pasada no había modo de integrarlos en un coro. Hacían falta instrumentos electrónicos más sensibles y precisos, que se desarrollaron apenas recientemente. Al principio, en 2006, Doeleman y su equipo probaron la técnica de coordinar telescopios separados (llamada interferometría) con tres observatorios, situados en Arizona, California y Hawai. Con esa configuración consiguieron vislumbrar lo que pasa cerca del horizonte de eventos de Sagitario A*, pero como si lo vieran con ojos miopes. Con más telescopios y más ampliamente distribuidos se cura la miopía. El proyecto incluye hoy ocho observatorios milimétricos operados por 30 instituciones de investigación de 12 países (aunque los telescopios están en Chile, México, Hawai, Estados Unidos, España y la Antártida). Doeleman y su equipo visitaron todos los observatorios que se fueron sumando al THE a fin de instalarles los nuevos procesadores digitales y grabadoras de datos más rápidas para coordinarlos y hacerlos más sensibles.

Igual que en el coro de Whitacre, cada estación grabará sus observaciones (en discos duros) y las enviará en avión (imposible despachar tal cantidad de datos por Internet) al Observatorio Haystack y el Instituto Max Planck de Radioastronomía, Alemania, para que unas computadoras entretejan los datos de todos los radiotelescopios y construyan el cuadro total. Para urdir el tejido completo, las computadoras del proyecto procesarán los datos durante varios meses. Los datos del Telescopio del Polo Sur, situado en la Antártida (pues sí), no se recibirán hasta antes de septiembre u octubre, cuando termine el invierno austral y nuevamente puedan llegar aviones al Polo Sur.

Imagen creada con modelos computacionales para mostrar cómo la gravedad extrema del hoyo negro en M87 distorsiona el remolino de gas cercano al horizonte de eventos; parte de la radiación del remolino se curva en un aro, en cuyo centro está lo que se conoce como la sombra del hoyo negro. Imagen: Avery E. Broderick (Perimeter Inst.-Univ. Waterloo).

¿Qué verán?

No hay observación sin teoría. Nadie inventa un experimento sin tener por lo menos una idea de lo que espera encontrar. Los científicos del THE tienen más que una idea: simulaciones por computadora de lo que sucede en el complejo entorno del horizonte de eventos y el disco de acreción. O por lo menos de lo que debería suceder, si la teoría en la que se basan estas simulaciones es válida en las condiciones de intensa gravedad del horizonte de eventos.

Esa teoría es la relatividad general de Albert Einstein, la teoría de la gravedad por excelencia, pero hay otras. La de Einstein ha pasado todas las pruebas que le han puesto los científicos durante 100 años (véase ¿Cómo ves? No. 204), la más reciente de las cuales la superó en 2015, cuando la colaboración LIGO detectó las ondas gravitacionales que Einstein predijo en 1915. Ésa fue la primera prueba de la relatividad general en un campo gravitacional muy intenso (el de dos hoyos negros de unas 30 masas solares que se fusionan). La prueba del horizonte de eventos sería la segunda.

El THE comparará sus observaciones con las simulaciones basadas en la teoría de Einstein. Ésta anticipa lo que debería verse cuando las computadoras del equipo completen el tejido: una sombra circular inmersa en un halo de luz con forma de media luna. No se espera ver un resplandor con forma de anillo porque el disco de acreción está girando. Un lado se acerca a nosotros y el otro se aleja (sería demasiada casualidad que el disco estuviera orientado con el eje de rotación apuntando hacia nosotros). El efecto Doppler (el mismo que hace que un vehículo suene más agudo cuando se acerca que cuando se aleja) intensifica el lado que se acerca y atenúa el que se aleja. De ahí la asimetría que predicen las simulaciones. Si la sombra central que emerja de los datos no es circular, será señal de que la teoría de Einstein no es válida para los campos gravitacionales más intensos.

Por suerte, Sagitario A* no es el único hoyo negro que se puede observar con el THE. La galaxia M87 también tiene un hoyo negro en el centro (y quizá todas lo tienen). La M87 está 2,000 veces más lejos que el centro de nuestra galaxia (a unos 53 millones de años luz), pero su hoyo negro central es tan grande, que se “ve” del mismo tamaño en el cielo que Sagitario A*. La M87 es una galaxia activa: de su centro brota un gigantesco chorro de materia que se extiende hasta 5 000 años luz en la dirección perpendicular al plano de la galaxia y que emite intensas ondas de radio (véase ¿Cómo ves? No. 192). Los chorros de las galaxias activas son efecto de la interacción del hoyo negro central con su entorno, pero todavía no se entiende cabalmente el mecanismo generador. Doeleman y su equipo observaron la base del chorro de la M87 en 2012 y publicaron sus resultados en la revista Science. Con la nueva configuración del THE esperan ver más detalles.

Los resultados saldrán a principios de 2018. Está en juego la teoría general de la relatividad. Cuando por fin veamos un hoyo negro, la teoría podría superar la última prueba. Después de todo, ha superado todas las otras. Pero también podría fallar, y eso sí que sería emocionante.