La importancia científica de la primera foto del agujero negro

A más de 50 años luz de distancia, en el corazón de una gigantesca galaxia elíptica llamada Messier 87, una bestia colosal devora cualquier cosa que se le acerque demasiado. Estrellas, planetas, gas y polvo: ni siquiera la luz huye de las garras de este monstruo una vez cruza un umbral denominado horizonte de sucesos.

Ayer, un equipo de científicos desveló una imagen de ese objeto, un agujero negro supermasivo con la masa de 6.500 millones de soles. Esta imagen histórica, que se parece a un vacío circular rodeado de un anillo de luz desigual, es el primer vistazo de la silueta de un agujero negro, una foto que llega hasta el ineludible borde de las fauces del agujero negro.

La nueva imagen es el impresionante logro del proyecto Event Horizon Telescope, una colaboración global de más de 200 científicos que han empleado una red de observatorios repartidos por todo el mundo, desde Hawái al Polo Sur. Al combinarla, esta red actúa como un telescopio del tamaño de la Tierra y ha sido capaz de recopilar más de un petabyte de datos mientras observaba el agujero negro de M87 en abril de 2017. Los científicos tardaron dos años en montar la instantánea.

Hasta ahora, los humanos solo éramos capaces de ver pruebas indirectas de la existencia de los agujeros negros buscando estrellas que parecieran orbitar objetos extraños, captando la radiación procedente de la materia sobrecalentada que se arremolinaba hacia ellos u observando los energéticos chorros de partículas que salían de sus entornos tumultuosos.

«Hemos estudiado los agujeros negros durante tanto tiempo que a veces cuesta recordar que ninguno ha visto ninguno jamás», afirmó France Cordova, director de la Fundación Nacional para la Ciencia de los Estados Unidos durante la conferencia de prensa en Washington, D.C., en la que se anunció el logro del equipo.

«Nos complace poder anunciarles que hemos observado lo que creíamos inobservable», añadió Shep Doeleman, director del proyecto del Instituto de Astrofísica Harvard-Smithsonian. «Lo que observan es la prueba de un horizonte de sucesos... Ahora tenemos pruebas visuales de un agujero negro».

Seis estudios publicados ayer en Astrophysical Journal Letters describen esta hazaña observacional, el proceso mediante el cual se ha logrado y los detalles que revela la imagen. Una de las conclusiones principales es un cálculo más directo de la masa del agujero negro, que guarda una estrecha correlación con los cálculos derivados del movimiento de las estrellas que los orbitan. Los datos también aportan pruebas de cómo consiguen estos agujeros negros supermasivos desencadenar chorros de partículas tan colosales que viajan casi a la velocidad de la luz.

«Es impresionante, es casi aleccionador en cierto modo», afirmó Doeleman. «La naturaleza ha conspirado para permitirnos observar algo que creíamos que era invisible».

Una naranja en la luna

Inicialmente, el Event Horizon Telescope tenía el objetivo de obtener una imagen del agujero negro supermasivo en el núcleo de nuestra galaxia, la Vía Láctea. Ese agujero negro, llamado Sagitario A*, es relativamente insignificante frente a M87, ya que contiene la masa de solo cuatro millones de soles. Como M87 es uno de los agujeros negros más próximos y grandes, el equipo decidió apuntar el telescopio hacia él, con la esperanza de comparar ambos monstruos.

Contemplar el corazón de nuestra galaxia resultó ser más complicado que observar el agujero negro del siguiente cúmulo de galaxias, por eso se ha publicado primero el retrato de M87.

En lugar de ser una sola instantánea, como las espectaculares fotos sacadas por el telescopio espacial Hubble, la imagen del EHT es el producto de un proceso denominado interferometría, que combina observaciones de múltiples telescopios para formar una imagen. Cuando las distintas antenas observan simultáneamente el mismo objetivo, los científicos pueden cotejar sus observaciones y «ver» un objeto como si utilizaran una sola antena gigante que abarcara la distancia entre dichos telescopios.

Para resolver el misterio de estos agujeros negros supermasivos —que son diminutos en comparación con las galaxias circundantes—, se necesitaba aprovechar la potencia de radiotelescopios de todo el planeta. Al final, seis observatorios en México, Hawái, Arizona, Chile y España apuntaron sus lentes al cielo y contemplaron M87, la galaxia más grande en el centro del cúmulo de Virgo. La red, que funciona como un telescopio del tamaño de la Tierra, puede observar objetos a solo una diezmilésima del tamaño angular de lo que Hubble puede observar.

«Aquello de lo que intentamos obtener una imagen es muy pequeño en el cielo», afirma Katie Bouman, de Caltech, integrante del equipo de imagen del EHT. «Es casi el mismo tamaño que intentar sacar una foto de una naranja en la luna».

Durante días, el equipo observó M87 en longitudes de ondas de radio cortas, porque las ondas de radio pueden atravesar los turbios velos de gas y polvo que rodean los centros galácticos. Durante el periodo de observación, en el que también incluyeron otros objetivos que no eran M87, el equipo acumuló tantos datos —cinco petabytes— que la única forma razonable de transmitirlos era enviando discos duros en lugar de enviarlos de manera digital.

«Cinco petabytes son muchísimos datos», afirma Dan Marrone, miembro del equipo de la Universidad de Arizona. «Es el equivalente a 5.000 años de archivos MP3 o, según un estudio que leí, toda la colección de selfis sacadas durante las vidas de 40.000 personas».

A continuación, como combinar observaciones de observatorios diferentes no es tarea fácil, cuatro equipos procesaron los datos de forma independiente, empleando algoritmos distintos y cotejándolos con modelos diferentes. Al final, las imágenes que produjo cada equipo fueron bastante similares, lo que sugería que las observaciones eran sólidas y que la foto final es la más precisa posible. Desde luego, apenas se distingue de las simulaciones que el equipo había producido el año antes de publicar la imagen.

«Es casi tal y como lo predijimos», afirma Sera Markoff, integrante del equipo del EHT de la Universidad de Ámsterdam. «Recuerdo que, por la noche, sacaba el móvil y miraba la foto».

El equipo tiene pensado compartir la imagen del agujero negro supermasivo más cercano a la Tierra, pero como Sagitario A* es más cercano, no esperan que esta imagen sea mucho más nítida que la que han publicado.

«M87 está casi 2000 veces más lejos, pero su agujero negro es casi 2000 veces más grande», afirma lord Martin Rees, de la Universidad de Cambridge, astrónomo real del Reino Unido. «Tienen el mismo tamaño angular en el cielo».

6.500 millones de soles

Con la imagen, los científicos pueden empezar a investigar algunos de los mayores misterios de la física de los agujeros negros; por ejemplo, confirmar sus fundamentos básicos.

«Lo que nos gustaría sacar de estas observaciones es si las propiedades de estos agujeros negros son lo que esperaríamos si Einstein está en lo cierto», afirma Rees.

Hasta ahora, parece que Einstein está en lo cierto. Aunque el famoso físico se mostraba escéptico ante la existencia misma de los agujeros negros, las soluciones a sus ecuaciones de la teoría de la relatividad general, que publicó en 1915, predecían que si los objetos supermasivos poblaban el universo, deberían ser esféricos, como una sombra oscura incrustada en un anillo de luz.

La imagen de M87 coincide con esa predicción, aunque el anillo de luz es ligeramente desigual, lo que hace que parezca una rosquilla abultada. Con todo, era de esperar. La materia que gira alrededor de un agujero negro forma un disco brillante y, como parte de ese disco se mueve hacia nosotros, hace que parte del círculo sea algo más brillante.

«Como está en movimiento, una parte debería estar dirigida hacia nosotros. ¡En eso se equivocaron en Interestelar!», afirma Markoff, refiriéndose a la representación artística de un agujero negro supermasivo en la película de 2014. «Ver esta imagen y darse cuenta de que estás viendo un sumidero espaciotemporal tiene algo de desafiante», añade.

Basándose en el horizonte de sucesos del M87, el equipo también midió su masa, que es de casi 6.500 millones de soles, con lo que se situaría dentro de las estimaciones derivadas del movimiento de las estrellas que lo orbitan. Sin embargo, uno de los problemas es que esa estimación de masa es mucho mayor que la cifra derivada del movimiento del gas que lo orbita, que es la técnica más fácil y la más utilizada para intentar pesar un agujero negro. Pero si ese método no funciona, es hora de que los científicos averigüen por qué.

«Estamos aumentando los tipos de galaxias que podemos alcanzar con la dinámica de gas, así que probablemente sea un momento fundamental para calibrar esa técnica de manera adecuada», afirma la astrofísica Jenny Greene, de la Universidad de Princeton.

Pero, aunque los nuevos datos ayuden a averiguar la masa del agujero negro, cuesta más determinar hasta donde se extiende el horizonte de sucesos del M87. Las sombras y las siluetas tienen bordes poco claros, algo que también ocurre con el círculo oscuro de la nueva imagen. Su anchura exacta depende de una serie de parámetros que todavía se desconocen, como la velocidad de rotación del agujero negro y su orientación exacta en el espacio.

Es probable que, si el agujero negro estuviera en nuestro sistema solar, su horizonte de sucesos se extendiera mucho más allá de la órbita de Plutón, quizá hasta más de 120 veces la distancia entre la Tierra y el sol.

Curiosamente, esto significa que podrías atravesar el horizonte de sucesos del M87 sin sentirlo siquiera: el agujero negro es tan grande que el espacio-tiempo apenas está curvado en este punto. Allí, la atracción de la inmensa gravedad del M87 sería la misma en todo el cuerpo, de pies a cabeza. Pero si te acercaras más, la curvatura se intensificaría hasta romperte en hebras parecidas a espaguetis (eso sí que lo sentirías y empezarías a sentir incomodidad mucho antes).

Chorros a propulsión

Nadie sabe realmente qué hay (si es que hay algo) en el núcleo de un agujero negro, denominado singularidad. Este pinchazo en el tejido mismo del universo está rodeado de una extensión curvada y exótica de espacio-tiempo de la que nada escapa.

Sin embargo, la nueva imagen debería ayudar a los astrónomos que esperan comprender el exterior de M87, sobre todo sus fuentes de partículas extremadamente energéticas que viajan casi a la velocidad de la luz. El chorro visible del M87, que se expande a unos 4.900 años luz, es uno de los espectáculos más cautivadores del universo cercano.

Puede parecer paradójico que un agujero negro expulse materia al espacio, ya que en general tienden a absorber materia, pero estos objetos exóticos son desconcertantes.

«Parece que se les da tan bien expulsar materia —chorros, vientos y corrientes— como recoger materia», afirma Daryl Haggard, de la Universidad McGill, que también señaló que los científicos no tienen una idea clara de cómo los agujeros negros potencian estos chorros.

Observar la interfaz entre la luz, la materia y el horizonte de sucesos del M87 podría ayudar a los científicos a descifrar este proceso enigmático. Varios observatorios apuntaron al agujero negro e intentaron desentrañar el motor que propulsa su chorro, estudiándolo en longitudes de ondas que abarcan el espectro electromagnético.

Dichos chorros parecen salir del disco de materia que gira alrededor del horizonte de sucesos, en una región denominada ergosfera, según explica Markoff. Aquí, el espacio-tiempo nunca permanece inmóvil y está en perpetua rotación. Es un entorno caracterizado por campos magnéticos intensos, gases calentados a millones de grados y partículas que circulan a una velocidad casi imposible. Las interacciones entre dichos elementos a escalas microscópicas desatan de algún modo la enorme fuerza que contienen los chorros.

Comparando el chorro relativamente activo del M87 con las imágenes del agujero negro latente de nuestra galaxia, «podremos comprender mejor los altibajos de la influencia de los agujeros negros en el largo curso de nuestra historia del universo», afirma Markoff.

Nota: Este artículo se ha actualizado con citas de Sera Markoff y Dan Marrone.

Este artículo se publicó originalmente en inglés en nationalgeographic.com.