Retrato de un hoyo negro 3.0

Sergio de Régules

Imagen: EHT Collaboration

El proyecto Telescopio del Horizonte de Eventos presenta por fin la anhelada imagen del hoyo negro del centro de nuestra galaxia. Las observaciones se llevaron a cabo hace cinco años. ¿Por qué la demora?

El 12 de mayo de 2022 se realizaron seis conferencias de prensa paralelas con investigadores del proyecto Telescopio del Horizonte de Eventos (THE) en varios países, México entre ellos. La Fundación Nacional para la Ciencia de Estados Unidos (NSF) había prometido, escueta y misteriosamente, dar a conocer ese día “un importante descubrimiento acerca de la Vía Láctea”, pero para quien estuviera al tanto del trabajo de este equipo no era ningún misterio el motivo exacto de dichas conferencias.

En abril de 2017 el THE había apuntado su batería de radiotelescopios distribuidos por todo el mundo hacia el centro de la galaxia M87 y el centro de nuestra propia galaxia. El objetivo era escudriñar ambas regiones con un grado de detalle inusitado hasta entonces. En la conferencia mexicana, Laurent Loinard, de la UNAM, dijo: “Hay un consenso en la comunidad internacional de que todas las galaxias, o por lo menos la gran mayoría, albergan en su centro un agujero negro supermasivo”. Añadió que se trata de objetos “con masas entre millones y miles de millones de veces la masa del Sol”. Los hoyos negros de M87 y de nuestra galaxia incluso tienen nombre: M87* y Sagitario A*. El THE presentó la imagen del hoyo negro central de M87 en 2019 (véase ¿Cómo ves? Núm. 247), pero nos quedaron a deber la de Sagitario A*. Así pues, cuando se anunciaron las conferencias paralelas en mayo, todo el mundo sabía de qué se trataba.

1.- Nubes de estrellas en la constelación de Sagitario en dirección al centro de la Vía Láctea. Imagen: ESO y Digitized Sky Survey 2 (Davide De Martin and S. Guisard, www.eso.org/~sguisard). 2.- THE, un conjunto de teles­copios a escala planetaria. Imagen: ESO/ L. Calçada.

Sí, la relatividad general funciona

Tras las presentaciones en la conferencia de la NSF en el Club de Prensa de Washington, D.C., tomó la palabra la astrofísica turca Feryal Özel, de la Universidad de Arizona. “Hasta ahora no contábamos con una imagen directa que confirmara que Sagitario A* es, en efecto, un hoyo negro”, dijo. Pero no es que hubiera muchas dudas. Décadas de observaciones de esa región con todo tipo de telescopios dejaban poco margen para la incertidumbre; en particular, el trabajo de dos equipos internacionales (y rivales) —dirigidos uno por Andrea Ghez y el otro por Reinhard Genzel—, que culminó con una brevísima película que resumía 10 años del movimiento de las estrellas más cercanas al centro de la galaxia. El video muestra un enjambre de estrellas moviéndose como moscas alrededor de un punto invisible. A esa escala, entre 1 000 y 100 000 veces más grande que el hipotético hoyo negro, no había esperanzas de atisbar el entorno inmediato de este, pero un análisis del movimiento de esas estrellas no dejaba duda de que ahí había un objeto muy compacto y de una masa igual a 4 000 000 de veces la masa del Sol. No podía ser más que un hoyo negro, si nuestras ideas acerca de la gravedad son correctas. Ghez y Genzel ganaron el Premio Nobel de Física 2020 por esos trabajos.

Prosigue Özel: “Eso nos permitió predecir de qué tamaño tendría que ser la sombra del hoyo negro”. Un hoyo negro es un objeto tan compacto, que ni la luz puede escapar de su intensa atracción gravitacional, lo que entre otras cosas significa que no podemos ver el hoyo negro propiamente dicho. Lo que sí se ve —lo que emite radiación de todo tipo que podemos captar con nuestros teles­copios— es el gas y polvo que giran alrededor del hoyo negro en órbitas mucho más apretadas que las estrellas de Ghez y Genzel, en la región inmediata al llamado “horizonte de eventos” del hoyo negro: el límite más allá del cual ni la luz puede escapar. Esa región es muy brillante porque la materia de ese torbellino está sometida a condiciones extremas de presión y temperatura, pero en el centro de este maremágnum debería verse la sombra del hoyo negro. Si nuestra teoría de la gravedad (la teoría general de la relatividad de Einstein) es correcta a esa escala y esa intensidad del campo gravitacional, la sombra debería tener una forma y un tamaño precisos. “Un anillo de luz alrededor de la oscuridad: esa es la señal de la sombra del hoyo negro”, dijo Feryal Özel.

Eso es justamente lo que se vio en 2019 en la imagen de M87*, que es un hoyo negro 1 500 veces más masivo, pero 2 000 veces más lejano, que Sagitario A* (razón por la cual se ve casi del mismo tamaño en el cielo). “Las dos imágenes se parecen porque ambas son consecuencia de la fuerza de gravedad. El espacio-tiempo se deforma exactamente de la misma manera alrededor de un hoyo negro, sin importar su masa ni su entorno”, añade Özel. La forma y tamaño de la sombra en ambos casos coincidió perfectamente con las predicciones de la teoría general de la relatividad: “La única manera de cambiar el tamaño de la sombra es cambiando la teoría. Estas observaciones dejan muy poco margen para alterar la teoría de la gravedad de Einstein”. Lo cual es un poco decepcionante, como veremos.

1.- Comparación de dos agujeros negros: M87* se localiza en el centro de la galaxia Messier 87 a 55 millones de años luz, y Sagitario A* en el corazón de la Vía Láctea a 27 000 años luz. Si bien M87* es más de 1 000 veces más grande dada su distancia de la Tierra, ambos hoyos negros se ven similares en el cielo. Imagen: EHT collaboration (Lia Medeiros, xkcd). 2- Para crear la imagen del agujero negro del centro de nuestra galaxia el THE tuvo que promediar miles de imágenes; estas se clasificaron en cuatro grupos con base en características similares como estructura o brillo. En la fila inferior se muestra una imagen representativa de cada grupo, así como la cantidad de imágenes pertenecientes a cada uno (barras). Imagen: EHT Collaboration.

A través de un cristal empañado

El THE es un telescopio virtual (o interferómetro) formado por radiotelescopios independientes —entre ellos el Gran Telescopio Milimétrico, situado en la cima del volcán Sierra Negra en Puebla—, cuyas señales se combinan para que actúen como un solo telescopio (véase ¿Cómo ves? Núm. 221). En la conferencia de prensa con investigadores de instituciones mexicanas (shorturl.at/bixGO), Gisela Ortiz León, de la sede Ensenada del Instituto de Astronomía de la UNAM, explica: “Este interferómetro tiene la resolución angular que nos daría un telescopio del diámetro de la Tierra”, lo que equivale a decir que tiene la agudeza visual necesaria para ver una manzana en la superficie de la Luna. “Pero solo tenemos pequeñas partes del telescopio completo”: las ocho antenas que se usaron para construir la imagen de Sagitario A*. En otras palabras, es como ver solamente pedacitos de una imagen completa. “Cada par de antenas nos da cierta información de la imagen”, prosigue Ortiz León. “Los pares más separados nos dan información de las partes más pequeñas y los pares más juntos nos dan información de las estructuras más extendidas de la imagen. Los científicos de la colaboración han invertido muchos años en desarrollar nuevos algoritmos computacionales que permiten combinar todos los pares de antenas de tal manera que produzcan una imagen razonable de la fuente”.

Para calibrar, combinar y transformar 3.5 petabytes de datos en la imagen del hoyo negro se requirió un equipo de 300 personas.

En la conferencia de la NSF, Vincent Fish, del Observatorio Haystack, explica que construir la imagen de Sagitario A* fue considerablemente más difícil que la de M87* (de ahí la demora). Para empezar, los radiotelescopios del proyecto recogieron en total 3.5 petabytes de datos. “Es el equivalente a 100 millones de videos de Tik Tok”, precisa Fish. Esa información se envió a los dos centros de procesamiento de datos en discos duros físicos transportados por avión: era imposible enviar tal cantidad de información por internet. Para calibrar, combinar y transformar esos datos en imagen se requirió un equipo de 300 personas. “Por medio de supercomputadoras se combinan las señales y se obtienen datos crudos”, explica Fish. “El equipo de calibración combina los datos crudos con información sobre la sensibilidad de cada telescopio para integrar los datos que usará el equipo de imagen”, el cual los utiliza para reconstruir la mejor imagen del plasma caliente que rodea al horizonte de eventos del hoyo negro.

Esto deja claro que la “foto” de Sagitario A* no es una foto normal, que en un clic capta toda la información que se necesita para identificar el objeto fotografiado: es una reconstrucción a partir de datos incompletos. Como dijo en la conferencia Katie Bouman, experta en ciencias de la computación del proyecto, obtener la imagen a partir únicamente de los datos del telescopio es como tratar de reconocer una melodía tocada en un piano al que le faltan muchas teclas. “Como no sabes dónde ni cuándo van las notas que faltan, hay innumerables tonadas posibles”. Hay que complementar con suposiciones acerca de las notas ausentes. En el caso del THE, las suposiciones son simulaciones numéricas por computadora, de lo que se encarga el equipo de Bouman. Las simulaciones permiten modelar todas las posibilidades: partiendo de la masa de Sagitario A* (bien conocida), se hacen modelos para todas las velocidades de rotación del hoyo negro y para todas las orientaciones respecto a nosotros (de frente, de lado e intermedias), datos que no conocemos.

Hasta aquí se ha descrito un proceso idéntico al que operó para M87*. “Pero luego llegó la pandemia, que nos retrasó pero no nos detuvo”, añade Vincent Fish. Primera complicación, mas no la única: Sagitario A* es más de 1 000 veces más pequeño que M87*, lo que quiere decir que todo lo hace más rápido. El plasma que gira a su alrededor es como un caldero hirviente y turbulento que cambia de brillo y emite destellos en una escala de tiempo mucho menor. Lo que M87* hace en días, Sagitario A* lo hace en un segundo. Es como tratar de retratar a un niño inquieto en una foto de larga exposición. Añádase a esta complicación que a Sagitario A* lo vemos a través de la espesura de nuestra galaxia: 27 000 años luz de estrellas y nubes de gas y polvo interestelar que dispersan y bloquean la radiación, lo que equivale a tomar una foto a través de un vidrio translúcido.

Añade Fish: “Nuestros resultados se elaboran sobre décadas de estudios de otros equipos que han establecido que Sagitario A* contiene un objeto oscuro y masivo”. Se refiere a los estudios del movimiento de aquellas estrellas que mencioné más arriba, pero también a estudios muy anteriores que establecieron dónde está el corazón de la galaxia y qué podía estar ocurriendo ahí.

El corazón de la galaxia

Era 1918 y faltaban más de 40 años para que se acuñara el término “hoyo negro”. La palabra “galaxia” se reservaba para el conjunto de estrellas y gases al que pertenece el Sol. Se debatía si había otros conjuntos parecidos en el Universo. Hacía poco Henrietta Swan-Leavitt, del Observatorio Harvard College, había inventado una técnica para medir las distancias más grandes en el espacio (véase ¿Cómo ves? Núm. 111). Con esa técnica Harlow Shapley descubrió casi por casualidad que el centro de la Vía Láctea está en la dirección de la constelación de Sagitario. Y en efecto, en esa dirección se ven más estrellas y más nubes de gas y polvo.

En 1933 un empleado de la compañía Bell Telephone recibió el encargo de identificar fuentes de interferencia que dificultaban las llamadas telefónicas intercontinentales, que se transmitían en ondas de radio. Karl Jansky construyó una antena giratoria y detectó tres tipos de emisiones naturales de ondas de radio: dos que provenían de tormentas eléctricas y una venía del espacio. Jansky ubicó la fuente espacial de ondas de radio en la constelación de Sagitario, muy cerca del centro de la galaxia (y de paso inauguró la radioastronomía). Lo malo es que las cosas ahí son tan tupidas, que no se puede escudriñar el centro de la galaxia con un telescopio de luz visible. La luz simplemente no puede salir y es como tratar de ver el centro del bosque a través de los árboles. Pero las ondas de radio sí pueden atravesar el material interestelar, como constató Jansky. La fuente de ondas de radio del centro de la galaxia más tarde se llamó Sagitario A.

En una carta a la revista Nature en 1954 dos astrónomos australianos observaron una región de intensas emisiones de radio en Sagitario A y propusieron que esa fuente era el núcleo mismo de la galaxia. Veinte años después Bruce Balick y Robert Brown identificaron una región aún más compacta e intensa, a la que en 1982 se llamó Sagitario A*. La sospecha de que era un hoyo negro data de poco después, y desde entonces otras observaciones en distintas longitudes de onda han ido precisando la imagen. La culminación de esa etapa de la exploración de Sagitario A* fueron los trabajos de los equipos de Ghez y Genzel.

Un viejo amigo

“Para fotografiar Sagitario A* se produjeron miles de imágenes a partir de los datos que obtuvimos con el telescopio”, dice Gisela Ortiz León y luego explica que esa enorme biblioteca de imágenes simuladas —cada una un caso posible de hoyo negro consistente con los datos del THE— se podía separar en cuatro categorías. De cada categoría se hizo un promedio. La imagen oficial que se presentó el 12 de mayo es a su vez el promedio de estas cuatro categorías. El 95 % de las imágenes obtenidas por simulación mostraban la estructura esperada. Dice Katie Bouman: “Tras años de pruebas con datos y simulaciones, hoy estamos seguros de que la estructura subyacente es un anillo”. Y un anillo del tamaño exacto que predice la teoría general de la relatividad, lo cual, como mencioné, puede ser un poco decepcionante.

“¿Qué aporta la imagen a lo que sabemos de los hoyos negros? ¿O solo confirma lo que ya sabíamos?”, pregunta un enviado de Buzzfeed en la conferencia de prensa de la NSF. Feryal Özel da una respuesta muy bonita, y quizá inesperada para quien se imagine que los científicos se alegran cuando se confirman sus teorías:

“Pues hay buenas noticias y malas noticias. La buena noticia es que seguimos extendiendo los límites de las pruebas a las que podemos someter nuestra teoría de la gravedad —la cual debería fallar en algún momento, pues sabemos que no es compatible con la microfísica; sabemos que en cualquier momento debería darnos alguna pista de cómo modificarla—. Y sin embargo la hemos puesto a prueba a distintas escalas de masa, desde masas estelares con la detección de ondas gravitacionales, pasando por Sagitario A* hasta M87*, con 6 000 millones de veces la masa del Sol. Nos hemos acercado al horizonte de eventos tanto como ha permitido nuestro telescopio, y aún no hemos visto ni una falla en la teoría. Tenemos la esperanza de que las fallas aparezcan pronto”. En resumen: cuando te has pasado 20 años hurgando un rincón de la naturaleza, lo que quieres no es confirmar lo que ya sabías, sino encontrar algo nuevo.

Feryal Özel resume el sentimiento del equipo: “Desde hace 22 años, cuando me interesé en Sagitario A* en el posgrado, es como si hubiera estado chateando en línea con un amigo lejano. Tenía una vaga idea de cómo debía ser, pero ahora es como si por fin nos conociéramos en persona”.