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

En una serie de artículos publicados hoy en un número especial de Cartas de revistas astrofísicas , 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, 55 millones de años luz de la Tierra.

Las cuatro imágenes muestran una región oscura central rodeada por un anillo de luz que parece torcido, 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 infinitamente denso, regiones compactas en el espacio, donde la gravedad es tan extrema que nada, ni siquiera luz, puede escapar desde dentro. Por definición, los agujeros negros son invisibles. Pero si un agujero negro está rodeado de material emisor de luz como 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.

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

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

De estas imágenes, Los teóricos y modeladores del equipo han determinado que el agujero negro es aproximadamente 6.500 millones de veces más masivo que nuestro sol. Las ligeras diferencias entre cada una de las cuatro imágenes sugieren que el material se desliza alrededor del agujero negro a la velocidad del rayo.

"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. "Con el agujero negro M87 siendo tan masivo, un planeta en órbita lo rodearía en 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 los cielos, o si lo hacen, está 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, en el detalle muy fino que tenemos, los objetos cambian en la escala de tiempo de los días. En el futuro, tal vez podamos producir películas de estas fuentes. Hoy estamos viendo los marcos iniciales ".

"Estas nuevas y notables imágenes del agujero negro M87 demuestran que Einstein tenía razón una vez más, "dice Maria Zuber, El vicepresidente de investigación del MIT y la E.A. Profesor Griswold de Geofísica en el Departamento de la Tierra, Ciencias Atmosféricas y Planetarias. "El descubrimiento fue posible gracias a los avances en los sistemas digitales en los que los ingenieros de Haystack se han destacado durante mucho tiempo".

"La naturaleza fue amable"

Las imágenes fueron tomadas por el Event Horizon Telescope, o EHT, una matriz a escala planetaria que comprende ocho radiotelescopios, cada uno en un control remoto, entorno de gran altitud, incluidas las cimas de las montañas de Hawái, Sierra Nevada de España, el desierto chileno, y la capa de hielo de la Antártida.

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 oscuro que cualquier otra fuente de radio en el cielo. Para verlo con claridad los astrónomos necesitan utilizar longitudes de onda muy cortas; en este caso, 1,3 milímetros:que pueden atravesar las nubes de material entre un agujero negro y la Tierra.

Hacer una imagen de un agujero negro también requiere un aumento, o "resolución angular, "equivalente a leer un texto en un teléfono en Nueva York desde un café en la acera de 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 como para ver un agujero negro.

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

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

"La naturaleza fue amable con nosotros, y nos brindó algo lo suficientemente grande para ver mediante el uso de equipos y técnicas de última generación, "dice Crew, co-líder del grupo de trabajo de correlación EHT y del equipo VLBI del Observatorio ALMA.

"Montones de datos"

El 5 de abril 2017, el EHT comenzó a observar M87. Tras consultar numerosas previsiones meteorológicas, Los astrónomos identificaron cuatro noches que producirían condiciones claras para los ocho observatorios, una rara oportunidad, durante el cual podrían funcionar como un plato colectivo para observar el agujero negro.

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

"Estamos registrando montones de datos:petabytes de datos para cada estación, "Crew dice.

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

Después de que terminó la carrera de observación, Los investigadores de cada estación empacaron la pila de discos duros y los llevaron por FedEx al Observatorio Haystack, en Massachusetts, y el Instituto Max Planck de Radioastronomía, en Alemania. (El transporte aéreo fue mucho más rápido que transmitir los datos electrónicamente). En ambos lugares, los datos se reprodujeron en una supercomputadora altamente especializada llamada correlacionador, que procesó los datos en dos flujos a la vez.

Como cada telescopio ocupa una ubicación diferente en el plato de radio virtual del EHT, tiene una visión 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 específico de los respectivos telescopios.

El correlador alinea los datos de cada par posible de los ocho telescopios del EHT. De estas comparaciones, matemáticamente elimina el ruido y detecta la señal del agujero negro. Los relojes atómicos de alta precisión instalados en cada telescopio marcan la hora de los datos entrantes, permitiendo a los analistas hacer coincidir los flujos de datos después de los hechos.

"Alinear con precisión los flujos de datos y tener en cuenta todo tipo de perturbaciones sutiles en la sincronización es una de las cosas en las que Haystack se especializa, "dice Colin Lonsdale, Director de Haystack y vicepresidente de la junta directiva de EHT.

Teams at both Haystack and Max Planck then began the painstaking process of "correlating" the data, identifying a range of problems at the different telescopes, fixing them, and rerunning the correlation, until the data could be rigorously verified. Only then were the data released to four separate teams around the world, each tasked with generating an image from the data using independent techniques.

"It was the second week of June, and I remember I didn't sleep the night before the data was released, to be sure I was prepared, " says Kazunori Akiyama, co-leader of the EHT imaging group and a postdoc working at Haystack.

All four imaging teams previously tested their algorithms on other astrophysical objects, making sure that their techniques would produce an accurate visual representation of the radio data. When the files were released, Akiyama and his colleagues immediately ran the data through their respective algorithms. En tono rimbombante, each team did so independently of the others, to avoid any group bias in the results.

"The first image our group produced was slightly messy, but we saw this ring-like emission, and I was so excited at that moment, " Akiyama remembers. "But simultaneously I was worried that maybe I was the only person getting that black hole image."

His concern was short-lived. Soon afterward all four teams met at the Black Hole Initiative at Harvard University to compare images, and found, with some relief, and much cheering and applause, that they all produced the same, lopsided, ring-like structure—the first direct images of a black hole.

"There have been ways to find signatures of black holes in astronomy, but this is the first time anyone's ever taken a picture of one, " Crew says. "This is a watershed moment."

"A new era"

The idea for the EHT was conceived in the early 2000s by Sheperd Doeleman Ph.D. '95, who was leading a pioneering VLBI program at Haystack Observatory and now directs the EHT project as an astronomer at the Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. En el momento, Haystack engineers were developing the digital back-ends, recorders, and correlator that could process the enormous datastreams that an array of disparate telescopes would receive.

"The concept of imaging a black hole has been around for decades, " Lonsdale says. "But it was really the development of modern digital systems that got people thinking about radio astronomy as a way of actually doing it. More telescopes on mountaintops were being built, and the realization gradually came along that, Oye, [imaging a black hole] isn't absolutely crazy."

En 2007, Doeleman's team put the EHT concept to the test, installing Haystack's recorders on three widely scattered radio telescopes and aiming them together at Sagittarius A*, the black hole at the center of our own galaxy.

"We didn't have enough dishes to make an image, " recalls Fish, co-leader of the EHT science operations working group. "But we could see there was something there that's about the right size."

Hoy dia, the EHT has grown to an array of 11 observatories:ALMA, APEX, the Greenland Telescope, the IRAM 30-meter Telescope, the IRAM NOEMA Observatory, the Kitt Peak Telescope, the James Clerk Maxwell Telescope, the Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano, the Submillimeter Array, the Submillimeter Telescope, and the South Pole Telescope.

Coordinating observations and analysis has involved over 200 scientists from around the world who make up the EHT collaboration, with 13 main institutions, including Haystack Observatory. Key funding was provided by the National Science Foundation, the European Research Council, and funding agencies in East Asia, including the Japan Society for the Promotion of Science. The telescopes contributing to this result were ALMA, APEX, the IRAM 30-meter telescope, the James Clerk Maxwell Telescope, the Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano, the Submillimeter Array, the Submillimeter Telescope, and the South Pole Telescope.

More observatories are scheduled to join the EHT array, to sharpen the image of M87 as well as attempt to see through the dense material that lies between Earth and the center of our own galaxy, to the heart of Sagittarius A*.

"We've demonstrated that the EHT is the observatory to see a black hole on an event horizon scale, " Akiyama says. "This is the dawn of a new era of black hole astrophysics."

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.