Cazadores de agujeros negros
Así se filmará el primer vídeo de un agujero negro. Los científicos esperan que podamos ver un agujero negro en movimiento en 2030.
Son los herederos de la policía celeste, aquella sociedad de seis astrónomos conformada en 1800 en el observatorio de Johann Schröter, en Lilienthal, en el norte de Alemania, para encontrar un supuesto planeta perdido entre las órbitas de Marte y Júpiter. Dos siglos más tarde, otra sociedad de astrónomos –esta vez más de doscientos, repartidos por todos los rincones del planeta– se agrupó en torno a una red de veinte radiotelescopios con una misión histórica: apuntar al cielo para fotografiar por primera vez un agujero negro –el de la galaxia Messier 87– y grabar los primeros vídeos del que habita en el centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea.
En la primera fase de este proyecto emplearon ocho radiotelescopios ubicados en distintos continentes –entre ellos , uno en Sierra Nevada, en Granada–, con los que realizaron dos misiones de observación en los meses de marzo y abril de 2017 y 2018.
El resultado es ya historia de la astronomía: el 10 de abril de 2019 publicaron la fotografía del agujero negro supermasivo de la galaxia Messier 87 –también conocida como M87–, que pertenece al llamado cúmulo de Virgo. Era la primera vez que la humanidad veía con sus ojos uno de los elementos más enigmáticos y extremos del cosmos; un punto en el que se ponen en jaque las leyes de la física del universo.
Tras este acontecimiento, el proyecto recibió poco después un notable impulso: la Fundación Nacional para la Ciencia de Estados Unidos, una agencia del Gobierno federal, le concedió 12,7 millones de dólares para llevarlo a su segunda fase, la llamada Siguiente Generación del Telescopio del Horizonte de Sucesos (ngEHT, por sus siglas en inglés). En 2021, la red, ya integrada por veinte radiotelescopios, se ha dedicado a rastrear el cielo con un objetivo fundamental: el agujero negro de la Vía Láctea. “No solo se trata de fotografiarlo. Aspiramos a ir más allá y obtener vídeos de estos misteriosos fenómenos cósmicos. Queremos que la humanidad vea las primeras películas de los agujeros negros”, explica a MUY Sheperd Doeleman, coordinador del proyecto y astrofísico de la Universidad de Harvard.
La historia de los agujeros negros empieza en noviembre de 1915, cuando Albert Einstein publica una serie de artículos en los que define su teoría de la relatividad general. A partir de ella, los físicos dedujeron la probable existencia de los agujeros negros. El primero en hacerlo fue el alemán Karl Schwarzschild, un año después, aunque ni este ni nadie en aquel momento los llamase de ese modo. La denominación de agujero negro tardó medio siglo en aparecer. La ofreció el físico estadounidense John Archibald Wheeler en una conferencia en Nueva York, en 1967. Cuatro años más tarde, los astrónomos británicos Martin Rees y Donald Lynden-Bell expusieron la hipótesis de que nuestra galaxia, la Vía Láctea, tendría una especie de centro en el que habría un agujero negro supermasivo. En 1974, Bruce Balick y Robert Brown confirmaron su existencia y lo bautizaron como Sagitario A*.
“Uno pensaría que los agujeros negros son eso, negros; pero no es así exactamente; de hecho, pueden ser uno de los elementos más brillantes del universo”, comenta Doeleman. “Eso sí, en la región que los rodea, el llamado horizonte de sucesos, la fuerza de la gravedad es tan poderosa que ni siquiera la luz puede escapar. De ahí les viene el apelativo de negros”.
El horizonte de sucesos es el límite del agujero, el punto a partir del cual las leyes de la física dejan de existir y el mapa del espacio-tiempo de este cosmos desaparece; a partir de esa frontera, los físicos no tienen manera de saber qué sucede. En la película de Christopher Nolan Interstellar (2014), cuando el piloto Joseph Cooper (Matthew McConaughey) entra en el agujero negro Gargantúa, accede a una zona de cinco dimensiones: las cuatro conocidas –las tres dimensiones más el espacio-tiempo– y una extra, también espacio-temporal. Esta le permite interactuar con el espacio-tiempo de su hija Murph, en el pasado, para cambiar su futuro.
“Si los agujeros negros dejan caer la materia en su interior, a su alrededor se acumula un anillo de polvo cósmico y gases”, explica Doeleman. “Esa es la parte visible y brillante del agujero. Además, según la teoría de Einstein, toda esa materia de alrededor, al alcanzar velocidades altísimas, llega a temperaturas muy calientes, de miles de millones de grados centígrados. Finalmente, los agujeros giran sobre sí mismos en torno a dos polos magnéticos, y esto los lleva a lanzar una especie de chorro de alta velocidad entre un polo y otro. Así que los agujeros, además de negros, también son brillantes y dinámicamente muy activos”. Esa es la actividad que Doeleman quiere captar.
En las misiones de observación de 2017 y 2018, los radiotelescopios apuntaron hacia otros agujeros negros más lejanos que el de M87 y Sagitario A*. En esos casos, no se pudo ver su silueta, pero los astrónomos sí lograron obtener imágenes detalladas de sus chorros, en concreto, en el cuásar 3C 279. Los cuásares son fuentes de energía electromágnética muy brillantes, tanto que, cuando fueron descubiertos, se tomaron por estrellas, aunque no parecían serlo. Entonces, ¿qué eran? Pues bien, precisamente de ahí viene su nombre: cuasiestrella; en inglés, quasi star, o cuásar, en castellano. El 3C 279 se relaciona con la presencia de un agujero negro aproximadamente mil millones de veces más masivo que nuestro sol.
En los años 70 empezó a surgir la cuestión de cómo poder contemplar los agujeros negros, y ahí es donde los radiotelescopios juegan un papel clave. Estos obtienen una imagen del universo, pero, en vez de lograrla mediante la captación de ondas de luz, la producen a partir de las de radio; es decir, de las emisiones de radiofrecuencia que nos llegan del cosmos. Para captar esas señales y generar una imagen de las mismas, los astrónomos han desarrollado una técnica llamada interferometría de muy larga base (VLBI, por sus siglas en inglés).
“La manera en que funciona un radiotelescopio es similar a la de cualquier otro telescopio”, señala Doeleman. “Es igual que una cámara: capta las ondas a través de una lente, la proyecta en un punto focal y de ahí se construye la imagen”. El ojo humano puede ver la luz porque es capaz de ver en esa longitud de onda, cosa que no sucede con las ondas de radio. Pero los radiotelescopios sí pueden. Una vez captadas esas emisiones de radiofrecuencia por estos instrumentos, a través de la técnica de la interferometría se puede obtener una imagen del cosmos. Esta tecnología fue, de hecho, la que emplearon en 1974 Balick y Brown para confirmar la existencia de Sagitario A*.
Entre los objetos y fenómenos del universo que emiten radiaciones de radiofrecuencia están los agujeros negros. “Para que un telescopio convencional situado en la Tierra pueda captar los fotones que se encuentran en la región inundada de polvo y gases que existe en torno a los agujeros negros, antes tales fotones tendrían que atravesar toda esa nube, cosa que no consigue la mayoría de ellos”, puntualiza Doeleman. “Sin embargo, las ondas de radio no solo pueden viajar a través de todo eso, sino también del medio interestelar –y con ello, sortear el gas que hay entre las estrellas y que puede emborronar y dispersar la luz–. Además, son capaces de atravesar la atmósfera terrestre, algo que no todas las longitudes de ondas pueden hacer”.
Tal como explica este experto, si la técnica de la interferometría tiene que ver con la reproducción de las ondas de radiofrecuencia, el apellido “ muy larga base” está relacionado con el hecho de que si uno quiere ver un agujero negro, el telescopio ha de ser tan grande como la Tierra para obtener una resolución adecuada. “Necesitas una resolución similar a la de un telescopio normal que pudiera ver una naranja en la superficie de la Luna, y eso solo se puede obtener mediante una red de telescopios distribuidos en varios continentes, de modo que generen entre ellos una lente de un tamaño casi similar al de la Tierra”. Esa es la red de muy larga base que integran los veinte telescopios del proyecto ngEHT, el ojo terrestre desde el que el equipo liderado por Doeleman quiere ver y grabar los agujeros negros, entre ellos el de la Vía Láctea.
“Con estos telescopios repartidos por la Tierra, se apunta a la fuente de donde proceden esas emisiones de ondas de radiofrecuencia, en este caso el agujero negro, y con los datos recibidos se recurre a un superordenador. Después, hay que aplicar la interferometría y llevarla hasta sus límites absolutos para depurar las pequeñas variaciones que existen debido al viaje de las ondas de radio a través del universo”, dice Doeleman. “De este modo se logra reproducir la imagen de un punto concreto. Parece magia. La primera vez que supe que esto era posible aluciné, porque no tenía ni idea de que se podía hacer una cosa así, de que todo eso funcionaba”.
Doeleman lleva años trabajando con un equipo de astrónomos para depurar esta técnica. Llevaron a cabo los primeros experimentos en 2006 y 2007. “Nos las apañamos para realizar por primera vez en la historia una medición de las emisiones alrededor del agujero negro de la Vía Láctea”, recuerda.
Los datos recabados en torno a Sagitario A* lo describían como un agujero negro del tamaño de la órbita de Mercurio, de una masa de cuatro millones de veces nuestro sol y tan lejano de nosotros que la luz de sus alrededores tarda en llegar a la Tierra 25 000 años. Con esa medición, confirmaron un extremo de la teoría de la relatividad general de Einstein, y lo hicieron no sobre un papel lleno de cálculos, sino viéndolo. “Esos son los grandes momentos en la historia de cualquier astrónomo, cuando compruebas que un objeto que observas tiene exactamente el mismo tamaño que vaticinaba la teoría”, afirma Doeleman.
Según los postulados de Einstein, si un agujero negro tiene una masa determinada, su acción es tan fuerte que el anillo de emisiones que está en torno a él se vería cinco veces más grande de lo que en realidad es; y como se deduce el tamaño del agujero a partir del anillo, eso haría parecer el agujero negro cinco veces mayor. “Es como un cristal deformante: la masa del agujero negro altera la luz y hace que el anillo de alrededor parezca más grande”, explica el astrofísico de Harvard. “En 2007, cuando hicimos las mediciones del agujero negro de la Vía Láctea, pudimos ver por primera vez que era exactamente cinco veces mayor de lo que debería”. Doeleman y su equipo iban por el buen camino.
Sin embargo, no pudieron ir más allá de detectar el tamaño del agujero. Solo tenían tres telescopios y no lograron obtener ninguna imagen. “No obstante, fue en ese momento cuando supimos que podríamos tenerla, empleando la interferometría y sumando más radiotelescopios. Ese experimento nos lo demostró”. Y así es como llegó la foto publicada el 10 de abril de 2019, obtenida gracias al trabajo de ocho radiotelescopios y tras dos sesiones de observación, en marzo y abril de 2017 y 2018.
Doeleman rememora que para obtener esa instantánea hicieron falta muchas horas de observación y otras muchas más para estudiar los ingentes datos captados por los radiotelescopios. “En la sesión de 2017 recabamos siete petabytes de datos, que equivale a estar cinco mil años seguidos escuchando música en archivos con formato MP3. Al aumentar hasta veinte el número de telescopios, recogimos muchísima más. La única manera de compartir esa información es guardarla en discos duros, meterlos en un avión y enviárselos a su destinatario”, indica.
El equipo de Doeleman está ansioso por volver a apuntar hacia el agujero negro de Sagitario A*, y también a otros. Estas campañas llegarán tras el jarro de agua fría que supuso estar dos años seguidos sin haber podido mirar al centro de las galaxias, puesto que las observaciones previstas en 2019 y en marzo y abril de 2020 tuvieron que cancelarse. En el primer caso, porque dos de los radiotelescopios no estaban preparados; y en el segundo, por la pandemia de la covid-19. “Todo ello resultó muy desmoralizador”, admite el científico.
Esa espina clavada se palió en parte con la publicación de la mencionada primera foto de la historia de un agujero negro y con la de otra de la misma estructura, esta vez en luz polarizada, en marzo de 2021.
Sin embargo, cuando el astrónomo Martin Rees contempló la primera de ellas aseguró sentirse un tanto decepcionado, porque allí no se veía por ningún lado la corriente de energía y partículas que debería salir eyectada del centro mismo del agujero. “Sabemos fehacientemente que de ellos emerge un chorro, y se piensa que es muy probable que el agujero sea el motor del mismo”, insiste Doeleman. “El problema es que cuando el citado chorro tiende a ser muy grande es borroso y se atenúa; y cuando se vuelve más luminoso se hace muy pequeño y se confunde con el propio agujero negro. En 2017 solo teníamos ocho telescopios y no podíamos ver la emisión cuando esta es más grande. Con más telescopios ganaremos en resolución, mejoraremos la técnica y trataremos de verlo”.
Por motivos similares, en la foto del agujero negro de M87 se ve una parte del anillo brillante frente a otra más apagada. “Es exactamente lo que esperábamos, porque el gas se mueve muy rápido alrededor del agujero negro: si se desplaza hacia ti, es más brillante; si lo hace alejándose, se vuelve más tenue y borroso. Ello también estaba previsto en la teoría de Einstein”, explica Doeleman. “Así que, con esa foto, de repente, tuvimos ante nosotros otra demostración más de la misma, la de las características de la dinámica de la luz alrededor de un agujero negro, tal y como habían sido predichas”, apunta.
Con todo, el proyecto ngEHT, según anuncia doeleman, se dedicará específicamente a captar esos chorros de los agujeros negros. “Al contar con veinte radiotelescopios confiamos en alcanzar la definición necesaria para verlos”, añade. Y quién sabe si las futuras imágenes ofrecerán pistas sobre otra de las cuestiones más profundas que se plantea la astronomía: “Aunque el agujero negro participe en la formación de ese chorro, aún no se sabe exactamente cómo sucede”, dice Doeleman.
“No hay forma de testar en la Tierra lo que ocurre en los agujeros negros, así que la mejor manera que tenemos de hacerlo es observarlos; y si la teoría de Einstein sufre alguna inconsistencia en algún punto del universo, el mejor sitio donde poder probarlo es en ellos”, comenta. Por este motivo, el astrónomo se entusiasma con el proyecto de poder obtener vídeos del agujero negro de nuestra galaxia. La red de veinte radiotelescopios anticipa además unas tomas con mucha mejor definición que la de Messier 87. “Para ello, captaremos el agujero con imágenes que luego superpondremos como si fueran fotogramas; así, generaremos la sensación de movimiento, lo mismo que hace el cine. Necesitaremos muchas tomas y de mucha calidad, porque queremos hacer fotos del agujero negro cada pocos minutos”, explica.
Tal iniciativa no es un capricho. “Es trascendental, pues mostrará el agujero negro evolucionando ante nuestros ojos. El objetivo es testar la teoría de la gravedad de Einstein en la luz alrededor de los agujeros negros; y si podemos contemplar en una película el movimiento de la materia y cómo se desplaza esta alrededor del agujero negro y a qué velocidad gira este, podremos poner a prueba la mencionada teoría de una manera completamente nueva”.
El coordinador del proyecto ngEHT siente que “cuando se ve la imagen de un agujero negro es como haber hecho un viaje mental hacia él. Hacer ese viaje es muy importante, pero también lo es volver, contar y explicar al mundo lo que se ha visto. Hace años hice una predicción en un artículo de investigación y afirmé que para 2020 tendríamos la primera foto de un agujero negro. Ahora preveo que para 2030 podremos tener la primera película”.
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