Los científicos revelan la primera imagen del agujero negro

La colaboración del Event Horizon Telescope ha reconstruido la sombra de un agujero negro supermasivo.

Los científicos tienen por fin `` visto '' un agujero negro `` y es hermoso ''.

Al anunciar el resultado en una conferencia de prensa de la National Science Foundation en Washington, DC, representantes de la colaboración Event Horizon Telescope revelaron una imagen reconstruida del gigantesco agujero negro en la galaxia elíptica gigante M87. La galaxia se encuentra a unos 55 millones de años luz de distancia en la constelación de Virgo. El agujero negro en sí es tan grande que la luz tardaría 1 días en atravesarlo.

"Hemos visto lo que pensamos que era invisible", dijo el director del proyecto Sheperd Doeleman (Centro de Astrofísica, Harvard y Smithsonian) durante la conferencia de prensa. Hemos visto y tomado una foto de un agujero negro. Aquí está.

Los científicos utilizaron códigos de computadora y meses de análisis para construir esta imagen del agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia M87. El centro oscuro marca dónde la luz se hunde más allá del horizonte de eventos, para nunca volver; la media luna es creada por la luz emitida por el gas caliente justo afuera.
Colaboración del telescopio Event Horizon

Desenmascarando lo invisible

Capturar el rostro de un agujero negro requiere mucho más que un simple enfoque de apuntar y disparar. El equipo mundial de investigadores, compuesto por 200 personas de unos 20 países, construyó la imagen del agujero negro utilizando una técnica llamada interferometría basal muy larga (VLBI). VLBI combina los datos de múltiples radiotelescopios dispersos por todo el mundo para crear un plato virtual del tamaño de la Tierra, con una resolución equivalente a poder leer la fecha en un cuarto en Los Ángeles visto desde DC, dijo Doeleman.

Piense en el viejo chiste sobre un grupo de científicos con los ojos vendados que estudian diferentes partes de un elefante: uno encuentra una oreja, otro la cola, etc. Con VLBI, cada científico con los ojos vendados representa la distancia, o línea de base, entre dos telescopios. Pero en lugar de muestrear diferentes partes del cuerpo, cada línea de base observa una escala diferente del elefante: uno dice que tiene 10 pies de altura; otro dice que aquí hay una oreja de tal y tal tamaño; otro más explora la textura fina de la piel del elefante. A medida que la Tierra gira, las líneas de base cambian, detectando diferentes escalas del elefante. Luego, los científicos juntan estos bits de información en una imagen coherente.

La carrera de observación EHT de abril de 2017 involucró ocho radiotelescopios en seis ubicaciones geográficas: ALMA y APEX en Chile, JCMT y SMA en Hawai'i, LMT en México, Pico Veleta en España, SMT en Arizona y el Telescopio del Polo Sur.
© APEX, IRAM, G. Narayanan, J. McMahon, JCMT / JAC, S. Hostler, D. Harvey, ESO / C. Malin

Aunque la imagen del agujero negro publicada hoy y publicada en seis artículos en Astrophysical Journal Letters se basa en solo cuatro días de observaciones, los científicos de EHT pasaron años probando e instalando equipos, trabajando en el aire del remoto desierto de Chile, desafiando el frío de Antártida. Crearon algoritmos informáticos y desarrollaron simulaciones de lo que podrían ver. Hicieron carreras en seco, agonizando por las condiciones climáticas de ir / no ir en ocho telescopios en seis sitios geográficos dispersos desde Hawai hasta España y Arizona hasta el Polo Sur. "En VLBI, realmente solo tienes una oportunidad", dijo Dan Marrone (Universidad de Arizona), quien ha volado repetidamente al Polo Sur para adaptar el telescopio allí. "Todo tiene que funcionar exactamente bien".

Luego, en abril de 2017, lo hicieron.

Cuando la Tierra giró, cada telescopio apuntó a M87 y los otros objetivos, almacenando datos. Al final de la carrera de observación, los observadores habían llenado media tonelada de discos duros con 5 petabytes de datos, el equivalente a 5, 000 años de archivos MP3 o, bromeó Marrone, "toda la colección de selfies durante toda la vida para 40, 000 personas. "

Luego, el equipo voló estos discos duros a Massachusetts y Alemania, donde las observaciones de las ocho estaciones se enviaron a las supercomputadoras y se alinearon en billonésimas de segundo. "Tienen que estar exactamente en lo cierto", dice Michael Johnson (Centro de Astrofísica, Harvard y Smithsonian), quien ayudó a coordinar el análisis de datos de imágenes. "Si están un poquito fuera, no ves nada ".

La sombra sabe

Afrontaron todas estas tribulaciones para detectar las pequeñas siluetas de los distantes agujeros negros supermasivos.

La impresión de este artista representa los caminos de los fotones en la vecindad de un agujero negro, dibujados asumiendo que el observador está fuera del borde derecho. La curvatura gravitacional y la captura de luz por el horizonte de eventos es la causa de la sombra capturada por el telescopio de horizonte de eventos.

Nicolle R. Fuller / NSF

A medida que el gas gira alrededor de un agujero negro y se sumerge más profundamente en el pozo que crea el agujero negro en el espacio-tiempo, se calienta y emite luz a través del espectro electromagnético, desde los rayos X hasta la radio, explica el astrónomo de EHT Feryal Özel (Universidad de Arizona). Muy cerca del horizonte de eventos del agujero negro, estos fotones pueden quedar atrapados temporalmente, girando alrededor del agujero negro en lo que se llama un anillo de fotones antes de escapar y alcanzar nuestros telescopios. Sin embargo, a medida que el gas brillante continúe cayendo, se hundirá más allá del horizonte de eventos y su luz nunca nos alcanzará. Estos efectos se combinan para crear lo que se llama la "sombra" del agujero negro: un círculo oscuro rodeado por un anillo brillante. Se parece un poco a una rosquilla glaseada.

Una vez que los investigadores calibraron sus datos, un subconjunto de ellos (en su mayoría jóvenes astrónomos e informáticos que recién comenzaban sus carreras) se dividió en cuatro equipos. "Les dijimos: 'No hablen entre sí ni con nadie más'", dijo Marrone. "'Elija los algoritmos de imagen que considere mejores y cree imágenes de estos datos'".

"Entramos en una habitación, había seis o siete de nosotros", dice Johnson, "y de hecho tuvimos la primera foto 30 minutos después".

El desafío no es hacer una imagen, explica, sino comprender sus sutilezas. Los equipos tenían que conocer todas las imágenes potenciales que sus algoritmos podrían crear y dónde los códigos podrían llevarlos por mal camino. Después de probar las innumerables alternativas, todos se encontraron y revelaron sus cuatro imágenes, y todas se parecían notablemente: cuatro círculos oscuros rodeados de estructuras en forma de anillo.

Luego, los miembros del equipo se reorganizaron, utilizando lo que habían aprendido para atacar sistemáticamente los datos de cada día de tres maneras diferentes. Cada método produjo una imagen ligeramente diferente, pero una vez más, las imágenes fueron sorprendentemente consistentes entre sí.

La combinación de estas imágenes en una sola tomó mucho, mucho tiempo, dice Johnson. Los investigadores lucharon sobre cómo transmitir lo que era seguro versus lo que podría ser el subproducto de los bits favoritos de un solo algoritmo. Finalmente decidieron combinar las cuatro imágenes y difuminar el resultado para que coincida con la resolución de sus instrumentos. Al hacerlo, solo mostraron la estructura que aparece usando los cuatro métodos. "Respaldamos básicamente cada elemento" de esta imagen conservadora, dice.

Y qué imagen es. El ancho de la silueta es de aproximadamente 40 microarc segundos, el tamaño de una miniatura vista desde 40, 000 millas de distancia. "Esta es la primera vez que veo esta imagen", dijo el director y astrofísico de NSF France Córdova, "y me hizo llorar".

Alrededor de la madriguera del conejo

La conocida galaxia elíptica M87 tiene un chorro apuntando hacia nosotros que se extiende varios miles de años luz. El análisis adicional de las observaciones de EHT ayudará a los astrofísicos a comprender cómo los agujeros negros lanzan chorros.
NASA / The Hubble Heritage Team

El enfoque principal del equipo para el anuncio de hoy fue crear la imagen. Pero también han determinado algo de la física subyacente. Según el tamaño de la sombra, los investigadores calcularon que el agujero negro contiene 6.500 millones de masas solares, una cifra cercana al mayor de los dos valores en disputa.

El agujero negro gira en sentido horario desde nuestra perspectiva; la brillante media luna hacia el sur es el rayo de gas impulsado que se mueve hacia nosotros, mientras que el norte más oscuro es donde el gas se aleja de nosotros. Sin embargo, los datos no revelan qué tan rápido gira el agujero negro, porque la forma y el tamaño de la sombra son independientes del giro, excepto por las rotaciones más extremas.

La imagen también le da a los astrofísicos un gran impulso de confianza en sus teorías sobre lo que sucede cerca de un agujero negro en aumento. "Tengo que admitir que me sorprendió un poco que coincidiera tanto con las predicciones que habíamos hecho", dijo Avery Broderick (Perimeter Institute y University of Waterloo, Canadá).

"El hecho de que nuestras [simulaciones] se acercaron tanto a imágenes como la que acabamos de obtener para M87 ya nos dice que estamos en el camino correcto para comprender la física de la acumulación", dice Özel. "Podríamos haber estado completamente fuera".

Pronto, los investigadores comenzarán a armar mapas de cómo los campos magnéticos, cruciales para alimentar chorros como el que arroja el agujero negro del M87, se mueven cerca del horizonte de eventos. También analizarán sus observaciones del agujero negro central de nuestra propia galaxia, Sagitario A *. Aunque muchos esperaban que el resultado de hoy fuera sobre Sgr A *, no sobre M87, nuestro agujero negro llevará más tiempo: debido a que es aproximadamente una milésima parte de la masa del agujero negro de M87, Sgr A * es más pequeño y el gas azota su circunferencia mil veces Más rápido. Eso significa que vemos cambios mucho más rápidos en su luz, lo que hace que separar la firma de sombra sea más complejo. "Sabíamos que era un niño más turbulento", dice Özel. "Tenemos que aplicar un cuidado especial".

Este diagrama muestra los agujeros negros supermasivos que el EHT está explorando o puede explorar. El brillo a 1.3 mm está en el eje y; cuán pequeña es una estructura, en unidades del radio del horizonte de sucesos, es el eje x. Solo las sombras de M87 y Sgr A * se pueden resolver con interferometría terrestre, pero el EHT podría revelar una estructura increíble en los chorros o el gas cerca de los otros agujeros negros.

El equipo ya está trabajando para lograr una longitud de onda ligeramente más corta que la de 1.3 mm utilizada actualmente, lo que aumentará considerablemente su resolución. Pero M87 y Sgr A * son los únicos dos agujeros negros cuyas sombras podemos detectar con redes terrestres. Para expandirse a un mayor número de agujeros negros, deberán colocar radiotelescopios en el espacio. Agregar órbitas geosíncronas alargaría las líneas de base más de seis veces el radio de la Tierra, lo que permitiría al EHT ver sombras de agujeros negros de aproximadamente una décima parte del ancho de M87.

Conocí a Doeleman por primera vez hace casi 10 años, cuando escribía la tesis de mi maestro sobre agujeros negros, y como muchos otros, capté su entusiasmo visionario. A lo largo de los años, he visto al equipo enfrentar muchos reveses y frustraciones. `` No me di cuenta de lo difícil que sería cuando empezamos '', dice Doeleman, pensando en el viaje. Pero él era infatigable. `` Ya sabes, solo hay algunos proyectos en los que debes seguir avanzando, sin importar qué ''. Que hayan visto un agujero negro `` la sombra '' cuando podrían haber visto Sin embargo, otra gota o algo inesperado es hipnotizante, humillante y un testimonio de los años de arduo trabajo de todos. O, como él lo expresa: `` A veces tienes que besar muchas ranas antes de conseguir al príncipe ''.

Referencias

El evento Horizon Telescope Collaboration. Primer M87 Event Horizon Telescope Results. I-VI. Diario Astrofísico . 10 de abril de 2019.

Dimitrios Psaltis. Prueba de la relatividad general con el Event Horizon Telescope. arXiv.org. 26 de junio de 2018.

Conferencia de prensa de NSF. 10 de abril de 2019.

Actualización: La versión original de esta historia declaró que la imagen final es la combinación de las cuatro imágenes iniciales realizadas; En realidad es la combinación de tres imágenes. El sexto párrafo de "The Shadow Knows" es una adición posterior para corregir la explicación.


¿Qué es un agujero negro? Encuentre la respuesta a esta y otras preguntas en nuestras preguntas frecuentes sobre agujeros negros.