¿Cómo conseguimos realmente tomar una fotografía de un agujero negro?

Hace unos años, la primera imagen del agujero negro supermasivo en el corazón de la galaxia Messier 87 (M87) demostró que Internet podría romperse por algo más que la trampa de la sed de una celebridad. A la emoción le siguió el año pasado la obtención de imágenes del SMBH, mucho más pequeño, pero aún inimaginablemente vasto, en nuestra propia galaxia, Sagitario A*. El trabajo continúa, con los datos originales procesados ​​por IA este año para hacer la imagen mucho más nítida. Se avecinan más ejemplos, por lo que quizás ahora sea un buen momento para considerar cómo se hace.

Lo primero que hay que tener en cuenta es que ninguna de estas imágenes es en realidad de un agujero negro. La característica definitoria de un agujero negro es la gravedad tan intensa que ni siquiera la luz puede escapar. En consecuencia, no podemos verlos sin importar qué instrumentos se utilicen. Sin embargo, los agujeros negros, en particular los SMBH, suelen estar rodeados de discos de acreción que irradian justo fuera de sus horizontes de sucesos, el punto de no retorno. Estos pueden ser muy brillantes y, si la orientación es correcta, el agujero en sí se destaca contra ellos.

A pesar de este brillo, los discos de acreción de las SMBH no son fáciles de ver. Hay una razón (en realidad bastantes) por la que estas imágenes requirieron algunas de las colaboraciones más grandes en la historia de la astronomía, si no del todo al mismo nivel que el estudio de la primera kilonova.

Por un lado, M87* (el asterisco diferencia al SMBH de su galaxia) está muy lejos. Cincuenta y cuatro millones de años luz para ser tan precisos como podemos ser actualmente. Aunque el disco de acreción es enorme para los estándares de nuestro sistema solar (unos pocos días luz de diámetro), todavía es muy difícil de resolver a esa distancia. Sagitario A* está 2000 veces más cerca, pero hay mucho polvo y otras estrellas bloqueando nuestra vista.

Para obtener cierta resolución de algo tan lejano, sería ideal tener un telescopio inmensamente grande, digamos uno del tamaño de la Tierra. Sería un poco caro, incluso si nadie la confundiera con una estrella de la muerte y bombardeara su vertedero de basura.

En cambio, los astrónomos consiguieron ocho radiotelescopios repartidos por todo el planeta para trabajar juntos en lo que llamaron el Telescopio del Horizonte de Sucesos (EHT). Así como la distancia entre los ojos permite una percepción de profundidad adicional, la separación entre estos telescopios proporciona una línea de base que hace posible una resolución más alta.

Tu cerebro tiene unos cientos de millones de años de evolución a sus espaldas cuando se trata de sumar las imágenes producidas por ambos ojos. Los telescopios hacen el equivalente a través de la interferometría , que se basa en la forma en que los picos y valles de las ondas electromagnéticas se afectan entre sí, creando un patrón de intensidad basado en las diferencias de fase entre las ondas. Fue pionero con instrumentos como el Very Large Array, que utiliza 27 antenas sobre rieles en el desierto de Nuevo México. Las ondas de radio que recoge cada antena se reúnen con tanta precisión que sus picos se combinan para producir detalles que van mucho más allá de la capacidad de cada uno individualmente.

Hoy en día, la interferometría de línea de base muy larga nos permite combinar telescopios que están a medio mundo de distancia. Se necesita una potencia de cálculo fenomenal para producir imágenes de fuentes tan distantes, pero a medida que está más disponible, los astrónomos han podido realizar esta hazaña desde ubicaciones más separadas.

En el caso del EHT, eso significó instrumentos en Hawaii, California, Arizona, México, Chile, Groenlandia, España y Francia. Los radiotelescopios no son tan susceptibles a las nubes como los instrumentos ópticos, pero las tormentas o incluso los fuertes vientos ciertamente pueden interferir. Dado que las observaciones debían realizarse simultáneamente, el proyecto tuvo que esperar a que se establecieran condiciones de calma en todos los lugares a la vez.

La transmisión de datos entre los telescopios habría excedido con creces la capacidad de las redes de transmisión intercontinentales, por lo que los datos se almacenaron en conjuntos de discos duros, que debían reunirse en un solo lugar. Cada observación fue marcada con una marca de tiempo en nanosegundos mediante relojes atómicos. Cuando se fusionaron, se tuvo en cuenta el tiempo que tardaron las ondas de radio en llegar a diferentes instrumentos que viajaban a la velocidad de la luz.

Incluso con toda esta capacidad de observación, los astrónomos no podían simplemente combinar las ondas de radio recopiladas por los telescopios y convertirlas en una imagen accesible a nuestros ojos. El producto crudo era simplemente demasiado confuso para eso.

Había que identificar y eliminar las interferencias creadas por todo, desde nuestra atmósfera hasta las afueras del centro galáctico de M87. Incluso hubo que tener en cuenta las diferencias de presión atmosférica entre los distintos lugares en el momento de la observación. Este proceso fue aún más difícil al repetir el proceso con Sagitario A, ya que hay mucho más material interviniendo.

Finalmente, el equipo del EHT comparó las observaciones con modelos informáticos construidos tras décadas de intentar comprender cómo los agujeros negros deforman el espacio que los rodea y el comportamiento esperado del material en el disco de acreción. Esto se basó en lo que sabemos, o creemos saber, sobre la forma en que la materia caliente se comporta bajo una combinación de poderosos campos gravitacionales y magnéticos.

Este nivel de incertidumbre es el motivo por el que la IA podría hacer que la misma imagen sea mucho más claradespués de aprender de 30.000 imágenes simuladas de horizontes de eventos para encontrar patrones comunes.

El mismo método de interferometría ha permitido a los astrónomos volver a orientar los mismos telescopios hacia M87* y revelar los chorros producidos cuando el SMBH se alimenta de estrellas desmembradas.

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