12 de mayo de 2019
12.05.2019
GAVETA DE ASTROFÍSICA

I+D para ver lo invisible

12.05.2019 | 06:20
Jairo Méndez Abreu;

En la edición anterior de esta Gaveta de Astrofísica hablamos de una de las noticias astrofísicas del año: la demostración a través de una imagen directa de la existencia de un agujero negro en el centro de la galaxia M87. Más allá de las implicaciones científicas que ya comentamos, hoy nos centraremos en otro aspecto importante que nos ha dejado este descubrimiento: el avance en investigación + desarrollo (I+D) fomentado por las necesidades de la investigación en ciencias puras.

Desde el punto de vista del avance tecnológico, el Telescopio de Horizonte de Sucesos (EHT de sus siglas en inglés) ha demostrado una vez más lo lejos que pueden llegar los seres humanos cuando se unen con un objetivo común. Como decía el director del EHT, Shep Doeleman, en su rueda de prensa, el consorcio internacional EHT ha conseguido 'seeing the unseeable', ver lo invisible. Observar por primera vez y de forma directa un agujero negro.

El mayor reto tecnológico del EHT ha sido proporcionar imágenes con una resolución angular del orden de unos 20 microsegundos de arco (0,00002 arcsec). Para poner este número en contexto, el ojo humano tiene una resolución de 60 arcsec o, dicho de otra manera, el EHT nos permitiría ver un DVD en la superficie de la Luna. Para conseguir esta resolución sin precedentes el EHT usa una técnica llamada interferometría. Esta se basa en combinar la luz proveniente de diferentes telescopios (o antenas) para obtener una imagen de mayor resolución usando el principio de superposición de ondas. En astronomía,la resolución angular se suele definir como R = lambda /D, donde es la longitud de onda de las observaciones y D es el tamaño del telescopio. En el caso de la interferometría desarrollada por el EHT, las observaciones se han realizado en una longitud de onda ( ) en torno a los 1,3 milímetros y D (que llamamos línea de base) corresponde a la separación entre los telescopios. Esta separación es precisamente lo que hace del EHT una infraestructura sin precedentes, ya que los ocho telescopios que lo componen están distribuidos en los distintos continentes (Estados Unidos, la Antártida, España o Chile), convirtiéndolo en un telescopio virtualmente del tamaño de la Tierra. Sin esta capacidad de combinar telescopios el agujero negro de M87 parecería un objeto puntual y no podríamos ver el anillo luminoso que rodea el horizonte de sucesos.

Volviendo a nuestra definición de resolución angular R = lambda /D, parece claro que, a menos que consigamos poner un telescopio en la Luna, el progreso en ese sentido parece complicado. Sin embargo, el equipo del EHT ya está trabajando en futuras observaciones en diferentes longitudes de onda para mejorar la resolución del EHT y poder observar agujeros negros con tamaños aparentes más pequeños que el de M87 o el del centro de la Vía Láctea. Además, otra posible vía de mejora sigue siendo el colocar más telescopios en otras partes de la Tierra. Aunque esto no mejoraría drásticamente la resolución, sí incrementaría la calidad de las imágenes obtenidas.

Un punto importante a la hora de juntar la información de cada telescopio es la capacidad para sincronizar los datos. A pesar de que los telescopios no están físicamente conectados, sus datos fueron medidos con relojes atómicos que sincronizaron sus observaciones de forma precisa. Estos relojes tienen un error de tan solo un segundo cada 30 000 años. Tal sincronización es fundamental ya que la luz (ondas electromagnéticas) que llega a cada telescopio tiene que superponerse de manera extremadamente precisa. Pero si los telescopios no están conectados, ¿cómo se combinaron los datos? Pues almacenándolos en discos duros que fueron enviados a dos centros especializados donde supercomputadores, conocidos como correladores, realizaron el trabajo. Cada telescopio del EHT acumuló enormes cantidades de datos, aproximadamente 350 Tb (¡terabytes!) por día. De hecho los datos que se utilizaron para crear la imagen final son tantos como la cantidad de selfies que 40 000 personas podrían tomar a lo largo de todas sus vidas.

Finalmente, la comparación de observaciones y simulaciones es fundamental en cualquier campo de la astrofísica y el EHT no es una excepción. Las imágenes del agujero negro de M87 fueron comparadas con una extensa biblioteca de observaciones sintéticas obtenidas de simulaciones de esta fuente bajo diferentes modelos y condiciones. Estos modelos incluyen los efectos de la relatividad general que son fundamentales para reproducir los datos obtenidos con el EHT. De hecho, las "observaciones simuladas" muestran una notable similitud con las observaciones reales, lo que confirma que en realidad estamos ante una imagen de un agujero negro supermasivo y en rotación como fuente de la emisión. Los modelos también sugieren la forma más probable en que se lanzan los chorros de gas de M87: a través de la extracción de energía directamente de la rotación del agujero negro.

Durante la próxima década, las observaciones con alta resolución angular seguirán proporcionando a los astrofísicos datos fundamentales para entender el Universo. Ya estamos deseando ver las prometidas imágenes del agujero negro supermasivo que reside en el centro de nuestra Vía Láctea.

El panel superior muestra la distribución geográfica de los diferentes telescopios que componen el consorcio del EHT. Los paneles inferiores muestran (de izquierda a derecha) la imagen real obtenida por el EHT del agujero negro de M87, la simulación que mejor reproduce los datos y la misma simulación adaptada a cómo sería observada usando el EHT./ Akiyama et al. 2019, Astrophysical Journal, 875, L2; Akiyama et al. 2019, Astrophysical Journal, 875, L5

Jairo Méndez Abreu nació en San Juan de la Rambla, Tenerife, y cursó la Licenciatura en Física por la Universidad de La Laguna. Es Doctor en Astrofísica por la Universidad de La Laguna y la Universidad de Padua, Italia. Tras su paso por Italia volvió a Canarias con un contrato postdoctoral en el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) y un contrato Juan de la Cierva. Posteriormente se marchó a Escocia donde desarrolló su actividad investigadora en la Universidad de St Andrews. Recientemente ha vuelto como investigador al IAC, donde continúa sus estudios sobre dinámica y evolución de galaxias.

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