El Event Horizon Telescope (EHT), un conjunto a escala planetaria de ocho radiotelescopios terrestres creados mediante colaboración internacional, fue diseñado para capturar imágenes de un agujero negro. En conferencias de prensa coordinadas en todo el mundo, los investigadores de EHT revelaron que tuvieron éxito, revelando la primera evidencia visual directa del agujero negro supermasivo en el centro de Messier 87 y su sombra.

Un equipo internacional de más de 200 astrónomos, incluidos científicos del Observatorio Haystack del MIT, capturó las primeras imágenes directas de un agujero negro. Lograron esta notable hazaña al coordinar el poder de ocho observatorios de radio principales en cuatro continentes, para trabajar juntos como un telescopio virtual del tamaño de la Tierra.

En una serie de artículos publicados hoy en un número especial de Astrophysical Journal Letters ( https://iopscience.iop.org/issue/2041-8205/875/1 ), el equipo ha revelado cuatro imágenes del agujero negro supermasivo en el corazón de Messier 87, o M87, una galaxia dentro del cúmulo de galaxias de Virgo, a 55 millones de años luz de la Tierra.

Las cuatro imágenes muestran una región central oscura rodeada por un anillo de luz que aparece ladeado: más brillante en un lado que en el otro.

Albert Einstein, en su teoría de la relatividad general, predijo la existencia de agujeros negros, en forma de regiones infinitamente densas y compactas en el espacio, donde la gravedad es tan extrema que nada, ni siquiera la luz, puede escapar desde adentro. Por definición, los agujeros negros son invisibles. Pero si un agujero negro está rodeado de material emisor de luz como el plasma, las ecuaciones de Einstein predicen que parte de este material debería crear una “sombra” o un contorno del agujero negro y su límite, también conocido como su horizonte de eventos.

Basados ​​en las nuevas imágenes de M87, los científicos creen que están viendo la sombra de un agujero negro por primera vez, en la forma de la región oscura en el centro de cada imagen.

La relatividad predice que el inmenso campo gravitatorio hará que la luz se doble alrededor del agujero negro, formando un anillo brillante alrededor de su silueta, y también causará que el material circundante orbite alrededor del objeto a una velocidad cercana a la de la luz. El anillo brillante y torcido en las nuevas imágenes ofrece una confirmación visual de estos efectos: el material que se dirige hacia nuestro punto de vista a medida que gira alrededor parece más brillante que el otro lado.

A partir de estas imágenes, los teóricos y modeladores del equipo han determinado que el agujero negro es aproximadamente 6,5 mil millones de veces más masivo que nuestro sol. Las leves diferencias entre cada una de las cuatro imágenes sugieren que el material se mueve alrededor del agujero negro a la velocidad de la luz.

“Este agujero negro es mucho más grande que la órbita de Neptuno, y Neptuno tarda 200 años en dar la vuelta al sol”, dice Geoffrey Crew, científico investigador del Observatorio Haystack. “Dado que el agujero negro M87 es tan masivo, un planeta en órbita lo rodearía dentro de una semana y viajaría a una velocidad cercana a la de la luz”.

“La gente tiende a ver el cielo como algo estático, que las cosas no cambian en el cielo o, si lo hacen, es en escalas de tiempo que son más largas que una vida humana”, dice Vincent Fish, científico investigador del Observatorio Haystack. “Pero lo que encontramos para M87 es, con el detalle que tenemos, los objetos cambian en la escala temporal de los días. En el futuro, tal vez podamos producir películas de estas fuentes. Hoy estamos viendo los marcos iniciales”.

“Estas nuevas e increíbles imágenes del agujero negro M87 demuestran que Einstein volvió a tener razón”, dice Maria Zuber, vicepresidenta de investigación del MIT y profesora de geofísica de EA Griswold en el Departamento de Tierra, Ciencias Atmosféricas y Planetarias. “El descubrimiento fue posible gracias a los avances en sistemas digitales en los que los ingenieros de Haystack han sobresalido durante mucho tiempo”.

“La naturaleza era amable”

Las imágenes fueron tomadas por el Event Horizon Telescope, o EHT, una serie a escala planetaria que comprende ocho radiotelescopios, cada uno en un entorno remoto de gran altitud, incluidas las cimas de las montañas de Hawai, la Sierra Nevada española, el desierto de Chile y la Antártida. hoja de hielo.

En un día cualquiera, cada telescopio funciona de forma independiente, observando objetos astrofísicos que emiten débiles ondas de radio. Sin embargo, un agujero negro es infinitamente más pequeño y más oscuro que cualquier otra fuente de radio en el cielo. Para verlo claramente, los astrónomos necesitan usar longitudes de onda muy cortas, en este caso, 1.3 milímetros, que pueden cortar las nubes de material entre un agujero negro y la Tierra.

Hacer una foto de un agujero negro también requiere una ampliación, o “resolución angular”, equivalente a leer un texto en un teléfono en Nueva York desde un café en la acera en París. La resolución angular de un telescopio aumenta con el tamaño de su plato receptor. Sin embargo, incluso los radiotelescopios más grandes de la Tierra no son lo suficientemente grandes para ver un agujero negro.

Pero cuando varios radiotelescopios, separados por distancias muy grandes, se sincronizan y se enfocan en una sola fuente en el cielo, pueden operar como un plato de radio muy grande, a través de una técnica conocida como interferometría de línea de base muy larga, o VLBI. Su resolución angular combinada como resultado se puede mejorar enormemente.

Para EHT, los ocho telescopios participantes se resumieron en una radio virtual tan grande como la Tierra, con la capacidad de resolver un objeto de hasta 20 microsarcosegundos, aproximadamente 3 millones de veces más que la visión 20/20. Por una feliz coincidencia, se trata de la precisión requerida para ver un agujero negro, de acuerdo con las ecuaciones de Einstein.

“La naturaleza fue amable con nosotros y nos dio algo tan grande como para verlo mediante el uso de equipos y técnicas de vanguardia”, dice Crew, co-líder del grupo de trabajo de correlación EHT y el equipo VLBI del Observatorio ALMA.

“Gobios de datos”

El 5 de abril de 2017, el EHT comenzó a observar M87. Después de consultar numerosos pronósticos meteorológicos, los astrónomos identificaron cuatro noches que producirían condiciones claras para los ocho observatorios, una oportunidad excepcional durante la cual podrían trabajar como un plato colectivo para observar el agujero negro.

En radioastronomía, los telescopios detectan ondas de radio, en frecuencias que registran los fotones entrantes como una onda, con una amplitud y fase que se mide como voltaje. Como observaron M87, cada telescopio captó flujos de datos en forma de voltajes, representados como números digitales.

“Estamos grabando montones de datos, petabytes de datos para cada estación”, dice Crew.

En total, cada telescopio recibió aproximadamente un petabyte de datos, equivalente a 1 millón de gigabytes. Cada estación registró esta enorme afluencia que en varias unidades Mark6: grabadores de datos ultrarrápidos que se desarrollaron originalmente en el Observatorio Haystack.

Una vez finalizada la ejecución de observación, los investigadores de cada estación empacaron la pila de discos duros y los llevaron por FedEx al Observatorio Haystack, en Massachusetts, y al Instituto Max Planck de Radioastronomía, en Alemania. (El transporte aéreo fue mucho más rápido que transmitir los datos por vía electrónica). En ambas ubicaciones, los datos se reprodujeron en una supercomputadora altamente especializada llamada correlacionador, que procesó los datos dos flujos a la vez.

Como cada telescopio ocupa una ubicación diferente en la radio virtual de la EHT, tiene una vista ligeramente diferente del objeto de interés, en este caso, M87. Los datos recibidos por dos telescopios separados pueden codificar una señal similar del agujero negro, pero también contienen ruido que es específico de los telescopios respectivos.

El correlacionador alinea los datos de cada par posible de los ocho telescopios de la EHT. A partir de estas comparaciones, elimina matemáticamente el ruido y capta la señal del agujero negro. Los relojes atómicos de alta precisión se instalan en los datos entrantes que marcan la hora de cada telescopio, lo que permite a los analistas hacer coincidir los flujos de datos después del hecho.

“Una de las cosas en las que se especializa Haystack”, dice Colin Lonsdale, director y vicepresidente de la junta directiva de EHT, afirma que “alinear los flujos de datos con precisión y tener en cuenta todo tipo de perturbaciones sutiles en el tiempo”.

Los equipos tanto en Haystack como en Max Planck comenzaron el minucioso proceso de “correlacionar” los datos, identificando una variedad de problemas en los diferentes telescopios, corrigiéndolos y volviendo a ejecutar la correlación, hasta que los datos pudieran verificarse rigurosamente. Solo entonces se lanzaron los datos a cuatro equipos separados en todo el mundo, cada uno con la tarea de generar una imagen a partir de los datos utilizando técnicas independientes.

“Fue la segunda semana de junio, y recuerdo que no dormí la noche anterior a la publicación de los datos, para estar seguro de que estaba preparado”, dice Kazunori Akiyama, co-líder del grupo de imágenes de EHT y postdoctorado que trabaja en Almiar.

Los cuatro equipos de imágenes probaron previamente sus algoritmos en otros objetos astrofísicos, asegurándose de que sus técnicas produjeran una representación visual precisa de los datos de radio. Cuando se publicaron los archivos, Akiyama y sus colegas inmediatamente ejecutaron los datos a través de sus respectivos algoritmos. Es importante destacar que cada equipo lo hizo independientemente de los otros, para evitar cualquier sesgo de grupo en los resultados.

“La primera imagen que produjo nuestro grupo fue un poco desordenada, pero vimos una emisión similar a un anillo, y estaba tan emocionada en ese momento”, recuerda Akiyama. “Pero a la vez me preocupaba que tal vez era la única persona que obtenía esa imagen del agujero negro”.

Su preocupación fue de corta duración. Poco después, los cuatro equipos se reunieron en la Iniciativa Black Hole en la Universidad de Harvard para comparar imágenes, y encontraron, con cierto alivio, y mucho aplauso y aplauso, que todos produjeron la misma estructura, ladeada y en forma de anillo: las primeras imágenes directas. de un agujero negro.

“Ha habido formas de encontrar firmas de agujeros negros en la astronomía, pero esta es la primera vez que alguien toma una foto de uno”, dice Crew. “Este es un momento decisivo”.

“Una nueva era”

La idea para el EHT fue concebida a principios de la década de 2000 por Sheperd Doeleman, quien lideraba un programa pionero de VLBI en el Observatorio Haystack y ahora dirige el proyecto EHT como astrónomo en el Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian. En ese momento, los ingenieros de Haystack estaban desarrollando back-ends digitales, grabadores y correlacionadores que podían procesar los enormes flujos de datos que recibiría una serie de telescopios dispares.

“El concepto de crear imágenes de un agujero negro ha existido durante décadas”, dice Lonsdale. “Pero fue realmente el desarrollo de los sistemas digitales modernos lo que hizo que la gente pensara en la radioastronomía como una forma de hacerlo. Se estaban construyendo más telescopios en las cimas de las montañas, y la realización se produjo gradualmente, eh, [imaginando un agujero negro] no es absolutamente loco “.

En 2007, el equipo de Doeleman puso a prueba el concepto de EHT, instalando las grabadoras de Haystack en tres radiotelescopios muy dispersos y apuntándolos a Sagittarius A *, el agujero negro en el centro de nuestra propia galaxia.

“No teníamos suficientes platos para hacer una imagen”, recuerda Fish, co-líder del grupo de trabajo de operaciones científicas de EHT. “Pero pudimos ver que había algo allí que tiene el tamaño adecuado”.

Hoy en día, el EHT se ha convertido en una serie de 11 observatorios: ALMA, APEX, el Telescopio de Groenlandia, el Telescopio IRAM de 30 metros, el Observatorio IRAM NOEMA, el Telescopio Kitt Peak, el Telescopio James Clerk Maxwell, el Gran Telescopio Milimétrico Alfonso Serrano, la matriz de submilimetro, el telescopio de submilimetro y el telescopio del polo sur.

La coordinación de observaciones y análisis ha involucrado a más de 200 científicos de todo el mundo que conforman la colaboración de EHT, con 13 instituciones principales, incluido el Observatorio Haystack. La Fundación Nacional para la Ciencia, el Consejo Europeo de Investigación y agencias de financiamiento en Asia Oriental, incluida la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia, proporcionaron fondos clave. Los telescopios que contribuyeron a este resultado fueron ALMA, APEX, el telescopio IRAM de 30 metros, el telescopio James Clerk Maxwell, el gran telescopio milimétrico Alfonso Serrano, la matriz Submillimeter, el telescopio Submillimeter y el telescopio del Polo Sur.

Se ha programado que más observatorios se unan a la matriz EHT, para agudizar la imagen de M87, así como para intentar ver a través del material denso que se encuentra entre la Tierra y el centro de nuestra propia galaxia, hasta el corazón de Sagitario A *.

“Hemos demostrado que el EHT es el observatorio para ver un agujero negro en una escala de horizonte de eventos”, dice Akiyama. “Este es el comienzo de una nueva era de la astrofísica del agujero negro”.

El equipo de Haystack EHT incluye a John Barrett, Roger Cappallo, Joseph Crowley, Mark Derome, Kevin Dudevoir, Michael Hecht, Lynn Matthews, Kotaro Moriyama, Michael Poirier, Alan Rogers, Chester Ruszczyk, Jason SooHoo, Don Titus, Michael Titus y Alan Whitney . Los colaboradores adicionales fueron los ex alumnos del MIT Daniel Palumbo, Katie Bouman, Lindy Blackburn y Bill Freeman, profesor en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación del MIT.

El gran telescopio milimétrico Alfonso Serrano se encuentra ubicado sobre la cima del volcán Negro, ya extinto o Tliltépetl, dentro del Parque Nacional Pico de Orizaba en el estado de Puebla.es un radiotelescopio de 50 m de antena simple y movible, optimizado para realizar observaciones astronómicas en longitudes de onda entre 0.85 mm y 4 mm, siendo el más grande del mundo en su tipo.

crédito imagen EHT

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