los telescopios/arreglos de telescopios asociados al Telescopio de Horizonte de Sucesos apuntaron a Messier 87. Este es el aspecto de un agujero negro supermasivo, y el horizonte de sucesos es claramente visible. Colaboración del Event Horizon Telescope et al.

La variedad no es sólo la sal de la vida, sino una consecuencia natural de vivir en nuestro Universo. La gravitación, que obedece a las mismas leyes universales en todas las escalas, crea aglomeraciones y cúmulos de materia en un enorme conjunto de combinaciones, desde tenues nubes de gas hasta estrellas masivas, todo ello reunido en galaxias, cúmulos y una gran red cósmica.

Desde nuestra perspectiva en la Tierra, hay una enorme cantidad de cosas que observar. Sin embargo, no podemos verlo todo. Cuando las estrellas más masivas mueren, sus cadáveres se convierten en agujeros negros. Con tanta masa en un volumen de espacio tan pequeño, nada -ninguna señal de ningún tipo- puede salir. Podemos detectar la materia y la luz emitida alrededor de estos agujeros negros, pero dentro del horizonte de sucesos, nada escapa. En una increíble historia de éxito para la ciencia, acabamos de obtener imágenes de un horizonte de sucesos por primera vez. Esto es lo que hemos visto, cómo lo hemos hecho y lo que hemos aprendido.

el del centro de la galaxia M87, es unas 1000 veces mayor que el agujero negro de la Vía Láctea, pero está más de 2000 veces más lejos. El chorro relativista que emana de su núcleo central es uno de los más grandes y colimados jamás observados. Esta es la galaxia que nos muestra el primer horizonte de sucesos de la historia. ESA/Hubble y NASA

¿Qué hemos visto? Lo que se ve depende de dónde se mire y de cómo se haga la observación. Si queremos ver un horizonte de sucesos, nuestra mejor apuesta fue mirar al agujero negro que parecería más grande desde nuestra perspectiva en la Tierra. Eso significa que tiene que tener la mayor relación entre el tamaño físico real y su distancia a nosotros. Aunque puede haber hasta mil millones de agujeros negros en nuestra propia galaxia, el más masivo que conocemos -con diferencia- se encuentra a unos 25.000 años luz de distancia: en el centro de la Vía Láctea.

Este es el mayor agujero negro, en términos del tamaño angular de su horizonte de sucesos, visible desde la Tierra, con una masa estimada de 4 millones de soles. El segundo más grande es mucho más distante pero mucho, mucho más grande: el agujero negro en el centro de M87. Este agujero negro se encuentra a una distancia estimada de 60 millones de años luz, pero tiene un peso estimado de 6.600 millones de soles.

silueteadas contra el telón de fondo de las emisiones de radio de detrás, son reveladas por el Telescopio de Horizonte de Sucesos en una galaxia a unos 60 millones de años luz de distancia. La masa del agujero negro del centro de M87, reconstruida por el Event Horizon Telescope, resulta ser de 6.500 millones de masas solares. Colaboración del Event Horizon Telescope et al.

El Event Horizon Telescope intentó obtener imágenes de los horizontes de sucesos de ambos, con resultados dispares. El agujero negro situado en el centro de la Vía Láctea -conocido como Sagitario A*-, que en un principio se estimó que era ligeramente mayor que su homólogo M87, aún no ha obtenido imágenes de su horizonte de sucesos. Cuando observas el Universo, no siempre obtienes lo que esperas; a veces, obtienes lo que te da. En cambio, fue el agujero negro de M87 el que llegó primero, con una señal mucho más brillante y limpia.

Lo que hemos encontrado es espectacular. Esos píxeles oscuros en el centro de la imagen son en realidad la silueta del propio horizonte de sucesos. La luz que observamos proviene de la materia acelerada y calentada que lo rodea, que debe emitir radiación electromagnética. Allí donde la materia existe, emite ondas de radio, y el círculo oscuro que vemos es donde las ondas de radio de fondo están bloqueadas por el propio horizonte de sucesos.

agujero en el centro de nuestra galaxia: Sagitario A*. Tiene una masa de unos cuatro millones de soles y se encuentra rodeado de gas caliente que emite rayos X. Rayos X: NASA/UMass/D.Wang et al., IR: NASA/STScI

Para M87, vimos todo lo que podíamos esperar. Pero en el caso de Sagitario A*, no tuvimos tanta suerte.

Cuando se observa un agujero negro, lo que se intenta ver es la luz de radio de fondo que rodea la enorme masa en el centro de una galaxia, donde el horizonte de sucesos del propio agujero negro se sitúa en el primer plano de parte de la luz, revelando una silueta. Esto requiere tres cosas que se alinean a su favor:

1. Tiene que tener la resolución correcta, lo que significa que su telescopio (o conjunto de telescopios) tiene que ver el objeto que está viendo como algo más que un solo píxel.
2. Necesita una galaxia que sea radio-resistente, lo que significa que emite un fondo de radio que es lo suficientemente fuerte como para realmente destacar contra la silueta del horizonte de eventos.
3. Y se necesita una galaxia que sea radiotransparente, es decir, que se pueda ver hasta el agujero negro sin ser confundido por las señales de radio del primer plano.

el que está en el centro de la galaxia M87, se muestra en tres vistas aquí. En la parte superior está la óptica del Hubble, en la inferior izquierda la radio del NRAO y en la inferior derecha los rayos X del Chandra. A pesar de su masa de 6.600 millones de soles, está más de 2000 veces más lejos que Sagitario A*. El Telescopio Horizonte de Sucesos intentó ver su agujero negro en la radio, y tuvo éxito, mientras que su visión de Sagitario A* no lo fue. Arriba, óptico, Telescopio Espacial Hubble / NASA / Wikisky; abajo a la izquierda, radio, NRAO / Very Large Array (VLA); abajo a la derecha, rayos X, NASA / Telescopio de rayos X Chandra

Hemos visto muchas veces las emisiones extendidas de los alrededores de los agujeros negros en muchas longitudes de onda de luz, incluso en la parte de radio del espectro. Aunque M87 puede cumplir los tres criterios necesarios, el agujero negro del centro de nuestra galaxia no tenía una relación señal-ruido suficiente para crear una imagen, posiblemente a causa de los niveles mucho más bajos de intensidad de la radiación. Una pena, ya que nos habría encantado tener una mejor imagen de un segundo agujero negro, y el más grande, por tamaño angular, en el cielo de la Tierra. Sin embargo, tenemos el Universo que tenemos, no el que esperamos.

El tercer agujero negro más grande visto desde la Tierra está en el centro de la lejana galaxia NGC 1277. Aunque el Telescopio de Horizonte de Sucesos tiene la resolución adecuada para verlo, se trata de una galaxia radio-silenciosa, por lo que no hay suficiente fondo de radio para ver la silueta. El cuarto agujero negro más grande está cerca, en el centro de Andrómeda, pero nuestra resolución, incluso con el Telescopio Event Horizon, es demasiado baja para verlo.

matrices que contribuyen a las capacidades de imagen del Event Horizon Telescope desde uno de los hemisferios de la Tierra. Los datos tomados desde 2011 hasta 2017, y especialmente en 2017, han permitido construir por primera vez una imagen del horizonte de sucesos de un agujero negro. APEX, IRAM, G. Narayanan, J. McMahon, JCMT/JAC, S. Hostler, D. Harvey, ESO/C. Malin

¿Cómo lo vimos? Esta es la parte más notable. El Telescopio de Horizonte de Sucesos, como cualquier otro telescopio, necesita dos aspectos diferentes de los datos que recoge para cruzar un umbral crítico.

1. Necesita recoger suficiente luz para distinguir la señal del ruido, las regiones radio-oscuras de las regiones radio-silenciosas, y la región que rodea al agujero negro del resto del entorno alrededor del centro galáctico.
2. Necesita alcanzar una resolución lo suficientemente alta como para poder localizar los detalles precisos en su posición angular correcta en el espacio.

Necesitamos ambas cosas para poder reconstruir cualquier detalle de cualquier objeto astronómico, incluido un agujero negro. El Telescopio de Horizonte de Sucesos tuvo que superar un enorme desafío para obtener una imagen de cualquier agujero negro, debido a la pequeñez de su tamaño angular.

simulado aquí, es el más grande visto desde la perspectiva de la Tierra. El Event Horizon Telescope acaba de presentar, hoy mismo (10 de abril de 2019), su primera imagen de cómo es el horizonte de sucesos de cualquier agujero negro. El tamaño del horizonte de sucesos (blanco) y el tamaño de la región desprovista de luz (negra) tienen las proporciones que predice la teoría general de la relatividad y la masa del propio agujero negro. Ute Kraus, grupo de educación física Kraus, Universität Hildesheim; antecedentes: Axel Mellinger

Debido a que las regiones que rodean a los agujeros negros se aceleran a velocidades tan grandes, la materia que hay en su interior -formada por partículas cargadas- genera fuertes campos magnéticos. Cuando una partícula cargada se mueve en un campo magnético, emite radiación, y de ahí provienen las señales de radio. Incluso un radiotelescopio de tamaño modesto, de sólo unos metros de diámetro, es suficiente para captar la señal. En términos de potencia de captación de luz, observar la señal por encima del ruido es bastante fácil.

Pero la resolución es extremadamente difícil. Depende del número de longitudes de onda de la luz que puedan caber en el diámetro del telescopio. Para ver el diminuto agujero negro del centro de nuestra galaxia, necesitaríamos un telescopio óptico con un diámetro de 5.000 metros; en la radio, donde las ondas son mucho más largas, ¡necesitaríamos un diámetro de unos 12.000.000 de metros!

Telescopios participantes del Event Horizon Telescope (EHT) y del Global mm-VLBI Array (GMVA). Se ha imaginado, por primera vez, la sombra del horizonte de sucesos de un agujero negro supermasivo. ESO/O. Furtak

Por eso el Event Horizon Telescope es tan potente e inteligente. La técnica que utiliza se conoce como Interferometría de Línea de Base Muy Larga (VLBI, por sus siglas en inglés), que básicamente toma dos o más telescopios que pueden hacer los mismos tipos de observaciones desde dos lugares distintos, y los encierra juntos.

Al tomar observaciones simultáneas, sólo se obtiene la potencia de recolección de luz de los platos individuales sumados, pero se obtiene la resolución de la distancia entre los platos. Al abarcar el diámetro de la Tierra con muchos telescopios diferentes (o conjuntos de telescopios) de forma simultánea, pudimos obtener los datos necesarios para resolver el horizonte de sucesos.

la velocidad ha sido el factor limitante en los estudios similares a la EHT. Proto-EHT comenzó en 2007, y no era capaz de hacer absolutamente nada de la ciencia que está haciendo hoy. Esta es una captura de pantalla de una charla del científico de la EHT Avery Broderick. Perimeter Institute

Las tasas de datos eran increíbles:

• Registra una onda a una frecuencia que corresponde a 230 mil millones de observaciones por segundo.
• Eso corresponde a 8 GB por segundo en cada estación.
• Con 8 estaciones de telescopios/arreglos de telescopios, una hora de observaciones continuas permite obtener 225 TB de datos.
• ¡Para una observación de una semana, eso equivale a 27 PB (petabytes) de datos!

Todo para una sola imagen de un agujero negro. Una vez reunidos los módulos de datos de M87, ¡se disponía de 5 PB de datos en bruto para trabajar!

como se fotografió con las nubes de Magallanes encima. Un gran número de antenas cercanas, como parte de ALMA, ayuda a crear muchas de las imágenes más detalladas en áreas, mientras que un número más pequeño de antenas más distantes ayuda a afinar los detalles en los lugares más brillantes. La adición de ALMA al Telescopio del Horizonte de Sucesos fue lo que hizo posible la construcción de una imagen del horizonte de sucesos. ESO/C. Malin

Entonces, ¿qué hemos aprendido? Bueno, hay un montón de cosas que hemos aprendido, y habrá muchas historias sobre los diferentes detalles y matices que salen en los próximos días y semanas. Pero hay cuatro grandes conclusiones que cualquiera debería ser capaz de apreciar.

Primero y más importante, ¡los agujeros negros realmente existen! La gente ha inventado todo tipo de esquemas y escenarios extraños para evitarlos, pero la primera imagen directa de un horizonte de sucesos debería acabar con todas esas dudas. No sólo tenemos todas las pruebas indirectas de LIGO, las mediciones gravitacionales de las órbitas alrededor del centro galáctico y los datos de las binarias de rayos X, sino que ahora tenemos una imagen del horizonte de sucesos directamente.

En segundo lugar, y casi igual de alucinante, ¡la Relatividad General vuelve a ganar! La teoría de Einstein predijo que el horizonte de sucesos sería esférico, en lugar de oblato o prolato, y que la región desprovista de radiación tendría un tamaño determinado en función de la masa medida del agujero negro. La órbita circular estable más interna, predicha por la Relatividad General, muestra los fotones brillantes que son los últimos en escapar de la atracción gravitatoria del agujero negro.

¡Una vez más, la Relatividad General, incluso cuando se somete a una nueva prueba, salió invicta!

la Vía Láctea puede aparecer al Telescopio del Horizonte de Sucesos, dependiendo de su orientación respecto a nosotros. Estas simulaciones suponen que el horizonte de sucesos existe, que las ecuaciones que rigen la relatividad son válidas y que hemos aplicado los parámetros correctos a nuestro sistema de interés. Hay que tener en cuenta que se trata de simulaciones que tienen ya 10 años de antigüedad, que se remontan a 2009. ¡Vaya si eran buenas! Imaging an Event Horizon: submm-VLBI of a Super Massive Black Hole, S. Doeleman et al.

En tercer lugar, aprendimos que nuestras simulaciones para predecir cómo deberían ser las emisiones de radio alrededor del agujero negro eran muy, muy buenas. Esto nos dice que no sólo entendemos muy bien los entornos que rodean a los agujeros negros, sino que entendemos la dinámica de la materia y el gas que lo orbitan. Es un logro bastante espectacular!

Y en cuarto lugar, aprendimos que la masa del agujero negro que inferimos a partir de las observaciones gravitacionales son correctas, y la masa del agujero negro que inferimos a partir de las observaciones de rayos X son sistemáticamente demasiado bajas. En el caso de M87, estas estimaciones difieren en un factor de 2; en el caso de Sagitario A*, difieren en un factor de 1,5.

Ahora sabemos que la gravedad es el camino a seguir, ya que las estimaciones de 6.600 millones de masa solar a partir de la gravedad de M87 coinciden espectacularmente con la conclusión de 6.500 millones de masa solar del Event Horizon Telescope. Nuestras observaciones de rayos X, de hecho, están sesgadas hacia valores demasiado bajos.

agujero negro supermasivo en el núcleo de la Vía Láctea. Estas estrellas, cuando se observan en el infrarrojo, pueden tener sus órbitas rastreadas a pocos años luz de Sagitario A*, lo que nos permite reconstruir una masa para el agujero negro central. Se han utilizado métodos similares, pero más complicados, para reconstruir la masa gravitatoria del agujero negro de M87. Al resolver el agujero negro central directamente en M87, pudimos confirmar que las masas inferidas a partir de la gravitación coinciden con el tamaño real del horizonte de sucesos, mientras que las observaciones de rayos X no lo hacen. S. Sakai / A. Ghez / Observatorio W.M. Keck / Grupo del Centro Galáctico de la UCLA

Habrá más cosas que aprender a medida que sigamos haciendo ciencia con el Telescopio del Horizonte de Sucesos. Podemos aprender por qué los agujeros negros estallan, y si hay características transitorias que aparecen en el disco de acreción, como manchas calientes. Podemos saber si la ubicación de un agujero negro central se desplaza con el tiempo, lo que nos permite inferir la existencia de agujeros negros más pequeños, hasta ahora invisibles, cerca de los supermasivos centrales. Podemos aprender, a medida que reunimos más agujeros negros, si las masas que inferimos para los agujeros negros a partir de sus efectos gravitacionales o de sus emisiones de rayos X, están universalmente sesgadas o no. Y podemos saber si los discos de acreción tienen una alineación universal con sus galaxias anfitrionas o no.

La orientación de cara (dos paneles de la izquierda) o de canto (dos paneles de la derecha) puede alterar enormemente la forma en que nos aparece el agujero negro. Todavía no sabemos si existe una alineación universal o un conjunto de alineaciones aleatorias entre los agujeros negros y los discos de acreción. Hacia el horizonte de sucesos: el agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia», Class. Quantum Grav., Falcke & Markoff (2013)

No podemos saber estas respuestas sólo con nuestros primeros resultados, pero esto es sólo el comienzo. Ahora vivimos en un mundo en el que podemos obtener imágenes de los horizontes de sucesos de los agujeros negros directamente. Sabemos que los agujeros negros existen; sabemos que los horizontes de sucesos son reales; sabemos que la teoría de la gravedad de Einstein ha sido confirmada de una forma totalmente inédita. Y cualquier última duda de que los gigantes supermasivos del centro de las galaxias sean realmente agujeros negros se ha evaporado.

Los agujeros negros son reales, y son espectaculares. Al menos en la parte de radio del espectro, gracias al increíble logro del Telescopio Event Horizon, los estamos viendo como nunca antes.

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