RELATO DE CÓMO SE OBTUVO UNA IMAGEN ICÓNICA, VISTA POR MÁS DE CUATRO MIL QUINIENTOS MILLONES DE PERSONAS

El 10 de abril de 2019 se presentaba la primera imagen directa de un agujero negro tomada con el Telescopio del Horizonte de Sucesos (EHT, de su nombre en inglés), con la que los agujeros negros han pasado de ser un ente matemático predicho por la teoría de la relatividad a objetos reales que pueden ser estudiados a través de repetidas observaciones astronómicas*.

La sombra de unagujero negro

Los agujeros negros son los objetos más exóticos que predice la teoría de la relatividad de Einstein. En ellos la gravedad es tan alta que la curvatura del espaciotiempo que producen da lugar a un “agujero” en el propio universo. Este agujero, o singularidad, está rodeado por una región denominada horizonte de sucesos en la que ni siquiera la luz puede escapar, y de ahí que sean “invisibles”, o negros. Nada impide que crucemos el horizonte de sucesos, pero nunca podríamos volver para contar lo que hemos visto, por lo que el horizonte de sucesos es una puerta de salida sin retorno de nuestro universo.

Observar un agujero negro es por tanto una tarea complicada, ya que solo es posible distinguir su silueta proyectada sobre un fondo de radiación –la denominada sombra de un agujero negro–. Para un observador lejano, el agujero negro capta todos los fotones que se acerquen con un parámetro de impacto inferior a Rc= √27Rs/2, siendo Rs=2GM/c2 el radio de Schwarzschild. Los fotones con un parámetro de impacto mayor escapan al infinito, pero aquellos con un valor igual a Rc quedan capturados en una órbita inestable dando lugar a lo que se conoce como anillo de luz aumentado.
Los agujeros negros son voraces devoradores de cualquier material que se encuentre a su alrededor, y es por tanto común que se encuentren rodeados de un disco de acrecimiento. En este caso es más sencillo observar la sombra de un agujero negro, ya que el anillo de luz aumentado se verá envuelto de un halo de emisión procedente del disco de acrecimiento, como muestra la imagen superior, correspondiente a la primera simulación de la sombra de un agujero negro realizada por Jean-Pierre Luminet en 1979. En un alarde de predicción asombroso, Luminet escribía en su artículo de 1979: “Por lo tanto, nuestra imagen podría representar muchas fuentes relativamente débiles, como por ejemplo el agujero negro supermasivo cuya existencia en el núcleo de M87 se ha sugerido recientemente”. Cuarenta años después, el Telescopio del Horizonte de Sucesos tomaba la primera imagen de la sombra de un agujero, precisamente en M87.

Telescopio del Horizonte de Sucesos

Como hemos visto, el tamaño de la sombra de un agujero negro es directamente proporcional a su masa, y por tanto el tamaño aparente en el cielo viene dado únicamente por la razón entre su masa y distancia. Esto hace que los agujeros negros de tamaño estelar que nos podemos encontrar por ejemplo en binarias de rayos X tengan un tamaño aparente diminuto, inferior al nanosegundo de arco, algo completamente imposible de fotografiar con la tecnología actual. Sin embargo, en el centro de toda galaxia nos podemos encontrar agujeros negros supermasivos, con masas de millones o miles de millones de veces la del Sol.
En el caso de M87, estimaciones previas establecían una masa para el agujero negro central de entre 3.3 y 6.2 miles de millones de masas solares, de modo que teniendo en cuenta que se encuentra a una distancia de unos diecisiete megapársecs nos da un tamaño aparente para la sombra del agujero de entre unos veinte y cuarenta microsegundos de arco. De manera similar, en el centro de nuestra galaxia tenemos un agujero negro de 4.1 millones de masas solares, unas mil veces inferior a la masa de M87, pero se encuentra también unas mil veces más cerca, dando un tamaño aparente para la sombra del agujero negro de unos cincuenta microsegundos de arco. Fotografiar uno de estos agujeros requiere por tanto un instrumento capaz de proporcionar imágenes con una resolución angular del orden de unos veinte microsegundos de arco y a una longitud de onda lo suficiente corta como para que la emisión que rodea al agujero negro sea ópticamente delgada, algo que por primera vez empezó a ser accesible en 2017 gracias al desarrollo del Telescopio del Horizonte de Sucesos.
El EHT es un conjunto de antenas repartidas por toda la superficie terrestre que operan a longitudes de onda milimétricas. Gracias a la técnica de interferometría de muy larga base (VLBI por sus siglas en inglés), el Telescopio del Horizonte de Sucesos es capaz de sintetizar una antena virtual con un tamaño equivalente igual al diámetro de la Tierra, permitiendo alcanzar resoluciones angulares del orden de unos veinte microsegundos de arco.
Las observaciones del Telescopio del Horizonte de Sucesos de 2017 suponen la culminación de años de desarrollo instrumental por parte de numerosas instituciones repartidas por todo el mundo que engloban a los más de doscientos investigadores que conforman el consorcio del Telescopio del Horizonte de Sucesos. De hecho, como su propio nombre indica, fue desarrollado con el único propósito de convertirse en el primer instrumento capaz de fotografiar el horizonte de sucesos de los agujeros negros. Para ello ha sido necesario equipar las distintas antenas que conforman el EHT con nuevos receptores capaces de sintetizar un ancho de banda órdenes de magnitud mayor que los usados generalmente en observaciones de VLBI, y conseguir que las antenas de ALMA participen como una única antena en la red del EHT.

FOTOGRAFIANDO LO INVISIBLE

El EHT es un instrumento de una complejidad tal que solo realiza observaciones durante una ventana de unos diez o doce días al año, generalmente entre marzo y abril, cuando las condiciones atmosféricas son más propicias en las distintas localizaciones que conforma esta red interferométrica. Durante la campaña de observación del 2017 el EHT observó numerosas fuentes, entre ellas sus dos objetivos principales, M87 y SgrA*, esta última correspondiente a la radiofuente compacta en el centro de nuestra galaxia. En particular, el EHT realizó cuatro observaciones completamente independientes de M87 los días 5, 6, 10 y 11 de abril de 2017.
Las gráficas de la izquierda muestran el cubrimiento del plano uv (que marca las frecuencias espaciales muestreadas por el instrumento) correspondiente a las observaciones de 2017, así como los valores de densidad de flujo correlacionado. La densidad de brillo en el plano del cielo, es decir, la imagen final del interferómetro, y las visibilidades obtenidas están relacionadas por una simple transformada de Fourier. Un vistazo a estas figuras por un ojo entrenado muestra que el doble mínimo observado en la amplitud de las visibilidades observadas es una clara indicación de la existencia de un anillo de emisión. Sin embargo, el EHT solo es capaz de muestrear un número limitado de frecuencias espaciales, y por tanto en la práctica existe un número infinito de imágenes compatibles con los datos obtenidos. Reconstruir la imagen final del EHT es un reto parecido a recomponer una sinfonía cuando solo puedes escuchar un número limitado de notas –has de rellenar los espacios, pero al igual que nuestro oído es capaz de seleccionar qué notas hacen que una sinfonía sea melodiosa, podemos rellenar estos espacios con información apropiada al problema al que nos enfrentamos. Por ejemplo, sabemos que la emisión ha de ser positiva, y tener unos gradientes suaves como corresponde a imágenes astronómicas.

Para evitar cualquier sesgo relacionado con la reconstrucción de la imagen se han utilizado distintos algoritmos de reconstrucción de imagen. Uno de ellos está basado en el algoritmo CLEAN usado tradicionalmente en interferometría, que permite deconvolucionar los efectos asociados con el limitado cubrimiento del espacio de frecuencias (plano uv) para reconstruir una imagen final como una colección de fuentes puntuales convolucionadas con la gaussiana que representa la respuesta del instrumento. Por otro lado, se han desarrollado otros dos algoritmos (eht-library y SMILI) basados en métodos de máxima similitud regularizados, que buscan cuál es la imagen que mejor se ajusta a los datos observacionales a través de argumentos probabilísticos. Estos métodos son además capaces de reconstruir imágenes basadas únicamente en datos no afectados por errores instrumentales, como son las clausuras de fase y amplitud.
Con el fin de evitar aún más si cabe cualquier sesgo relacionado con los criterios subjetivos de cada observador en la reconstrucción de la imagen, el análisis de los datos iniciales del EHT se llevó a cabo por cuatro grupos distintos de trabajo que, de manera completamente independiente y sin comunicación durante siete semanas, procedieron a la obtención de las primeras imágenes. El 24 de julio de 2018 estos grupos de trabajo presentaron sus primeras imágenes de M87 en el 2nd EHT Imaging Workshop celebrado en el Black Hole Initiative de la Universidad de Harvard, todas ellas mostrando el anillo de luz aumentado que caracteriza a la imagen de la sombra del agujero negro en M87.
Cada uno de los algoritmos empleados, Difmap (usando la técnica de CLEAN), eht-imaging y SMILI tiene sus propios parámetros que determinan la reconstrucción final de la imagen, como por ejemplo el campo de visión o las zonas en las que se espera encontrar emisión. Por tanto, se procedió a un barrido completo del espacio de parámetros realizando un total de cerca de cincuenta mil imágenes, buscando qué combinación se ajustaba mejor a los datos obtenidos de M87 y a una serie de datos sintéticos correspondientes a cuatro modelos sencillos conocidos (anillo, media luna, disco, y fuente doble). Estos parámetros finales se emplearon para reconstruir las imágenes de M87 correspondientes a los cuatro días de observación de 2017.

El agujero negro en M87

Las imágenes inferiores nos muestran por primera vez la sombra de un agujero, tal y como fue capturada por el Telescopio del Horizonte de Sucesos en sus observaciones de 2017. Todas ellas muestran una estructura muy similar durante los cuatro días de observación, confirmando la robustez de los resultados. En ellas podemos apreciar el anillo de luz aumentado que envuelve una región central más oscura asociada con la captura de fotones por parte del horizonte de sucesos.
En las imágenes podemos apreciar que el anillo de luz aumentado es más brillante en la zona sur, debido al efecto Doppler relativista que caracterizaba también la simulación de Luminet. Esto nos ha permitido determinar que el material en estas últimas orbitas más cercanas al horizonte de sucesos gira en el sentido de las agujas del reloj, con la región del sur moviéndose en una dirección más cercana a la visual y el vector de spin del agujero negro en M87 apuntando en dirección opuesta a la Tierra.
La imagen de M87 con el EHT concuerda por tanto con las predicciones que teníamos sobre la sombra de un agujero negro, pero un estudio más detallado de su concordancia con las predicciones concretas de la teoría de la relatividad requiere de su comparación con simulaciones magnetohidrodinámicas relativistas (GRMHD) y emisión en modelos de transporte radiativo con trazado de rayos en relatividad general (GRRT). De esta manera podemos simular imágenes sintéticas de agujeros negros con distinta masa y spin, y distintos modelos para el disco de acrecimiento que lo envuelve, en particular su nivel de magnetización.
Más de sesenta mil imágenes distintas de agujeros negros y sus discos de acrecimiento se han generado para la interpretación de las observaciones de M87 con el EHT, lo que constituye la mayor librería de simulaciones GRMHD+GRRT obtenida hasta la fecha. Estas imágenes se han utilizado a su vez para generar datos sintéticos (visibilidades interferométricas) reproduciendo las características observacionales del EHT durante sus observaciones en 2017. Los datos sintéticos se han procesado usando los mismos algoritmos de reconstrucción de imagen empleados en la obtención de la imagen de M87, permitiendo de esta manera una comparación directa entre las imágenes reales y las simuladas.
A la izquierda se muestra una de estas simulaciones GRMHD y la imagen esperada que habría captado el EHT en sus observaciones de 2017. Su similitud con las imágenes reales de M87 mostradas en la página anterior es realmente extraordinaria.
Como hemos visto antes, el tamaño del anillo de luz aumentado de un agujero negro de Schwarzschild viene determinado únicamente por la razón entre su masa y distancia. En el caso de un agujero negro en rotación (agujero de Kerr), este tamaño se ve ligeramente modulado en un factor inferior al 4% por su spin. Por tanto, conocida la distancia es posible determinar el tamaño del agujero negro simplemente a través de una medida del tamaño del anillo de luz aumentado.
Análisis de las imágenes y los datos interferométricos de M87 nos han permitido determinar un tamaño para el anillo de luz aumentado de cuarena y dos microsegundos de arco, y por tanto obtener una masa para el agujero negro de M87 de (6.5 ±0.7) × 109 masas solares. Esta estimación concuerda plenamente con la obtenida a partir de las estimaciones de la dispersión de velocidades estelares en la región central de M87, proporcionando la confirmación de que la sombra del agujero negro en M87 observada por el EHT concuerda plenamente con la teoría de la relatividad de Einstein para un agujero negro de 6.5 miles de millones de veces la masa del Sol situado a unos cincuenta y cinco millones de años luz de la Tierra. Esto pone también en relieve la importancia de la imagen obtenida por el EHT, en la que una medida del tamaño del anillo de luz nos permite determinar la masa del agujero negro central en M87.
Por otro lado, estas observaciones confirman por primera vez de manera directa que los agujeros negros supermasivos son los responsables de las enormes cantidades de energía liberadas en el centro de las galaxias activas, como la de M87.

UN LABORATORIO PARA EL ESTUDIO DE LA GRAVEDAD

En la campaña de observación del 2017 el EHT observó también de manera repetida SgrA*, la radiofuente compacta en el centro de nuestra galaxia donde sabemos que existe un agujero negro de 4.1 millones de veces la masa del Sol. El análisis de estos datos es particularmente complicado dado que SgrA* varía en escalas temporales de decenas de minutos, por lo que es necesario el desarrollo de nuevos algoritmos de reconstrucción de imagen que nos permitirán en un futuro cercano obtener una película, en vez de una única imagen, del agujero negro en el centro de nuestra galaxia.
Futuras observaciones de M87, incluyendo nuevas antenas en 2020, nos permitirán por primera vez establecer la conexión entre el agujero negro central y el chorro (o jet) que hemos podido observar en M87 desde hace más de un siglo. Este chorro de partículas subatómicas, que viaja a velocidades próximas a la de la luz, se extiende hasta distancias mucho más grandes que el tamaño de la propia galaxia, y son típicos en galaxias que muestran una gran actividad nuclear. Las observaciones del EHT nos permitirán, por primera vez, entender cuáles son los mecanismos de formación, colimación y aceleración de estos chorros relativistas, zanjando por fin una cuestión que venimos investigando durante hace ya más de cuarenta años.
La imagen de la sombra del agujero negro en M87 obtenida por el Telescopio del Horizonte de Sucesos supone un punto de inflexión en el estudio de los agujeros negros, haciendo que estos pasen de ser un ente matemático predicho por la teoría de la relatividad a objetos reales que pueden ser estudiados con repetidas observaciones astronómicas.
El EHT es un instrumento en continua evolución, en la que mejoras tecnológicas en los receptores y, más aún, la inclusión de nuevas antenas tanto en tierra como en órbita en torno a la Tierra permitirán en los próximos años y décadas obtener imágenes cada vez más nítidas del agujero negro en M87, de SgrA* y de otros agujeros negros supermasivos en galaxias cercanas. Por tanto, no hay límites en cuanto a las posibilidades que ofrece el EHT para el estudio de los agujeros negros, más allá de las propias limitaciones económicas. Esto nos permitirá por primera vez poner a prueba la teoría de la relatividad en situaciones de gravedad extrema, y quizá obtener las respuestas que permitan compaginar la teoría de la relatividad general y la mecánica cuántica.

* Los resultados del EHT se presentaron en un número especial de seis artículos publicados en Astrophysical Journal Letters, bajo el título First M87 Event Horizon Telescope Results (Vol. 875). De no estar indicado de otro modo, las imágenes de este artículo pertenecen a esas publicaciones.