Los desafíos de tomar la primera imagen del corazón oscuro de la Vía Láctea

Estos paneles muestran las dos primeras imágenes jamás tomadas de agujeros negros. A la izquierda está M87, el agujero negro super masivo en el centro de la galaxia Messier 87 (M87), a 55 millones de años luz de distancia. A la derecha está Sagitario A (Sgr A), el agujero negro en el centro de nuestra Vía Láctea. Las dos imágenes muestran los agujeros negros tal como aparecerían en el cielo, con sus anillos brillantes que parecen tener aproximadamente el mismo tamaño, a pesar de que M87 es unas mil veces más grande que Sgr A*. Las imágenes fueron capturadas por el Event Horizon Telescope (EHT), una red global de radiotelescopios que incluye al Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) y el Atacama Pathfinder EXperiment (APEX), del cual ESO es copropietario. Crédito: ESO.

Lo que descubrirás en esta publicación de blog:

  • Por qué fue tan difícil fotografiar Sagitario A*, el agujero negro en el centro de nuestra galaxia
  • Cómo los científicos usaron tecnología sofisticada para obtener esta imagen
  • ¿Qué sigue para el Event Horizon Telescope?

Durante décadas, los científicos se han acercado cada vez más al corazón oscuro en el centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea, el agujero negro supermasivo conocido como Sagitario A* (Sgr A*). Ahora, como resultado del increíble trabajo de la Colaboración Event Horizon Telescope (EHT), finalmente tenemos una imagen tan esperada de Sgr A*, que proporciona la primera confirmación visual del agujero negro en nuestro centro galáctico. Sgr A* es el segundo agujero negro en ser fotografiado por el EHT, siendo el primero M87*, ubicado en el centro de la galaxia Messier 87, fotografiado por primera vez en 2019. Pero, ¿cómo llegamos a estas imágenes y qué podemos hacer?, ¿qué podemos aprender de sus similitudes y diferencias?

Obtener imágenes de un agujero negro no es tarea fácil. Los agujeros negros son completamente oscuros, lo que significa que es imposible tomar una imagen directa de ellos. En cambio, los científicos deben observar el gas y el polvo que los rodean que brillan intensamente. Aunque los agujeros negros super masivos son intrínsecamente grandes, están tan lejos de nosotros que su tamaño aparente en el cielo es extremadamente pequeño, tan pequeño que ningún telescopio convencional puede discernir su forma. Para resolver este problema, el EHT combina varios radiotelescopios ubicados en todo el mundo para formar un enorme telescopio del tamaño de la Tierra, utilizando una técnica llamada interferometría de línea de base muy larga.

Tomar la imagen de Sgr A* resultó ser un desafío para los científicos. En este blog, hablamos con tres de los científicos de la Colaboración EHT para comprender algunas de las similitudes y diferencias entre las imágenes de Sgr A* y M87*, además de llegar al fondo de por qué fue tan difícil obtener imágenes del agujero negro central de nuestra galaxia.

¿Por qué las imágenes de Sagitario A* y M87* se parecen tanto, cuando sabemos que los agujeros negros son muy diferentes?

“Hay dos cosas importantes a tener en cuenta”, dice Kazu Akiyama, astrofísico del MIT Haystack Observatory en los EE. UU. “En primer lugar, ambas imágenes tienen un anillo circular. En segundo lugar, los anillos son, en términos generales, simétricos: parecen cerrados, sin espacios”.

“La circularidad es un hermoso resultado de la gravedad extremadamente fuerte en el borde de un agujero negro. El tamaño y la forma de la silueta del agujero negro se rigen simplemente por cómo su fuerte gravedad dobla el espacio-tiempo circundante. La teoría de la relatividad de Einstein predice que la forma de la silueta es bastante circular sin importar qué tan rápido gire el agujero negro o desde dónde lo estemos mirando”.

Puede pensar que la sombra circular que vemos en las imágenes EHT corresponde al horizonte de eventos, la superficie más allá de la cual ni siquiera la luz puede escapar. Pero ese no es el caso. Como muestra el video a continuación, el agujero negro desvía la trayectoria de la luz a su alrededor, proyectando una sombra que es aproximadamente 2,5 veces más grande que el horizonte de eventos.

La impresión de este artista se acerca a un agujero negro y muestra los caminos de los fotones en su vecindad. La flexión gravitacional y la captura de la luz por el horizonte de sucesos es la causa de la sombra capturada por el Telescopio del Horizonte de Sucesos.
Crédito: Nicolle R. Fuller/NSF
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La materia caliente orbita alrededor del agujero negro en un disco, y la orientación de este disco determinará si el anillo brillante parece simétrico o no. «Si el eje de rotación de la materia alrededor del agujero negro está inclinado en relación con nuestra línea de visión», dice Kazu, «el anillo brillante que encierra la sombra del agujero negro será asimétrico: el lado donde la materia se acerca a nosotros será más brillante mientras que el lado del retroceso será más tenue. Si la inclinación es muy pronunciada, veríamos un anillo abierto donde solo se ve un lado, como una luna creciente”.

“De hecho, me sorprendió y ni siquiera esperaba ver un círculo tan cerrado para Sgr A*”, dice Kazu. “No había ninguna garantía de que así fuera. Este segundo anillo fue básicamente un regalo de la naturaleza”.

Los agujeros negros también pueden emitir fuertes chorros de material perpendicularmente al disco, lo que da a los astrónomos una pista sobre la orientación del disco. Desafortunadamente, Sgr A* ha estado relativamente callado en este frente.

“A diferencia de M87*, que tiene un chorro prominente que indica la orientación del sistema, Sgr A* nunca nos ha mostrado un chorro claramente visible”, dice Katie Bouman, Profesora Asistente del Instituto de Tecnología de California (Caltech). “Por esta razón, Sgr A* nos ha estado ocultando su orientación durante casi 50 años hasta que finalmente fue fotografiado con el EHT. Como aparece un anillo simétrico en nuestra imagen, descubrimos que los modelos teóricos pueden explicar los datos del EHT solo cuando el eje de rotación se inclina dentro de los 30 grados de nuestra línea de visión».

Entonces, ¿qué hizo que la obtención de imágenes de Sgr A* fuera tan difícil en comparación con M87*?

“Había dos desafíos principales en la obtención de imágenes de Sagitario A*, derivados de sus propiedades únicas”, dice José L. Gómez, científico investigador del Instituto de Astrofísica de Andalucía en España. “En primer lugar, Sagitario A* es unas 1600 veces más ligero y pequeño que M87*. El material tarda días o semanas en viajar alrededor de M87*, pero solo minutos u horas para moverse por Sgr A*. El EHT llena un gigantesco espejo virtual del tamaño de un planeta utilizando la rotación de la Tierra. Cada telescopio EHT individual es como un segmento de este espejo, obteniendo datos gradualmente durante una noche. M87* fue más fácil de fotografiar, ya que se mantuvo estable cuando estábamos observando: los datos obtenidos por todos los telescopios individuales provenían de la misma imagen estable”.

“Sin embargo, Sgr A* es como un niño pequeño que no puede quedarse quieto mientras le tomamos una foto en el transcurso de una noche”, continúa Katie. “El gas brillante alrededor de Sgr A* bailaba mientras tomábamos los datos. Necesitábamos reconstruir cómo aparece Sgr A* en el cielo a partir de una serie de información escasa obtenida mientras el gas se movía rápidamente”.

José L. continúa: “El segundo desafío es que las señales de radio de Sgr A* se distorsionan un poco y se vuelven borrosas por el gas turbulento ubicado entre la Tierra y el centro galáctico. La imagen de Sgr A* se ondula como una montaña distante vista desde la ventana de un avión a través de los gases de escape calientes. Para ver una imagen real de Sgr A*, necesitamos reconstruir la imagen tal como era antes de que ese gas turbulento dispersara las ondas de radio”.

«Este no fue el caso de M87*», agrega Kazu, «que se encuentra muy lejos del plano de la Vía Láctea y, por lo tanto, no tuvimos que fotografiarlo a través del material denso de nuestra galaxia».

Mire cómo esta secuencia de video se acerca al agujero negro (Sgr A*) en el centro de nuestra galaxia.
Crédito: ESO/L. Calçada, N. Risinger (skysurvey.org), DSS, VISTA, VVV Survey/D. Minniti DSS, Nogueras-Lara et al., Schoedel, NACO, GRAVITY Collaboration, EHT Collaboration (Music: Azul Cobalto).

¿Cómo abordaste estos problemas?

“Para los efectos de dispersión, examinamos cuidadosamente la óptica de propagación de las ondas de radio de Sgr A* a través del plasma turbulento que las dispersa”, dice Kazu. “Durante los últimos años, los científicos de EHT han desarrollado un modelo sofisticado de la dispersión de Sgr A* con una extensa serie de observaciones en diferentes longitudes de onda, y lo usaron para evaluar cómo aparece la distorsión y la borrosidad de Sgr A* en los datos del EHT. Esto nos permite reconstruir la imagen de Sgr A*”.

“En cuanto al rápido movimiento del gas alrededor de Sgr A*”, dice José L., “de hecho vimos en los datos del EHT que el gas brillante alrededor de Sgr A* se mueve y baila durante nuestras observaciones. Es realmente sorprendente que el EHT pueda ver una dinámica tan complicada del gas alrededor de un agujero negro, dándonos una pista muy importante sobre cómo interactúan los agujeros negros con el entorno que los rodea”.

“Hicimos un análisis estadístico cuidadoso de los datos para ver cómo cambia la apariencia de Sgr A* de noche a noche”, explica Katie, “proporcionando un modelo estadístico de la estructura dinámica en Sgr A*. Esto nos permite imaginar la estructura común de Sgr A* vista a través de las noches”.

Como se evidencia en las respuestas anteriores, está claro que se llevó a cabo una gran cantidad de análisis para obtener una imagen de Sgr A*. Y se requirieron algunos algoritmos muy bien desarrollados para este análisis.

¿Podría describir cómo funcionan los diferentes algoritmos que utilizó?

“El EHT crea el ojo más nítido del universo mediante la formación computacional de un telescopio virtual del tamaño de un planeta con radiotelescopios repartidos por toda la Tierra”, dice Katie. “Pero solo tenemos ocho telescopios en seis sitios geográficos, lo que proporciona una escasa cobertura de telescopios que pueden llenar solo una pequeña fracción de este gigantesco espejo virtual. Es como tener una fracción de las piezas de un rompecabezas, a partir de las cuales necesitamos reconstruir cómo se ve la imagen completa del rompecabezas. O como escuchar una canción de un piano al que le faltan muchas de las teclas”.

“Debido a que tenemos información tan limitada, puede imaginar que hay una cantidad infinita de formas de completar las piezas que faltan del rompecabezas”, continúa Kazu, “aunque la mayoría de ellas no tendrían ningún sentido, como agregar aleatoriamente una pieza de un rompecabezas o una nota de una canción da como resultado algo incómodo y muy poco probable”.

“Los algoritmos de imágenes son detectives matemáticos que usamos para encontrar las imágenes más razonables entre las muchas posibilidades que pueden explicar las mediciones del EHT”, explica Katie. “Cada algoritmo tiene su propio método para determinar qué imagen es más probable. Es un poco como contratar a Sherlock Holmes, Hercule Poirot, Jane Marple y Jules Maigret simultáneamente para ver qué concluyen comúnmente y qué no”.

¿Con qué precisión pueden los algoritmos recuperar la verdadera forma de Sgr A* o cualquier otra fuente?

«Examinamos y evaluamos cada forma de obtener imágenes de los datos de EHT de acuerdo con si puede distinguir y recuperar diferentes formas», dice Kazu. “incluidas las estructuras que no son de anillo que pueden proporcionar datos similares a los datos de EHT. Se crearon miles de imágenes de Sgr A* con métodos bien probados que pueden distinguir diferentes estructuras, y la gran mayoría muestra una forma de anillo”.

“La emisión rápidamente variable de Sagittarius A* y la cantidad limitada de datos introdujeron cierta incertidumbre sobre dónde estaban las partes más brillantes del anillo”, continúa José L. “La expansión en curso de la red EHT y las actualizaciones tecnológicas significativas nos permitirán mejorar restringir la emisión alrededor del anillo e incluso obtener las primeras películas de agujeros negros”.

No puedo dejar de preguntar, ¿qué tan seguro estás de que la imagen es un anillo? ¿Qué podría conducir a una imagen sin anillo?

“Hemos pasado años desarrollando nuevas herramientas sofisticadas para dar cuenta de los desafíos en la obtención de imágenes de Sagitario A*”, nos dijo José L. “Decenas de millones de imágenes de datos de prueba (creadas para parecerse mejor a Sgr A*) se han producido en supercomputadoras alrededor del mundo para refinar nuestros algoritmos, como buscar la mejor lente y filtro en una cámara para obtener la instantánea más nítida”.

“Descubrimos que nuestros diferentes algoritmos pueden distinguir de manera confiable entre imágenes circulares y no circulares”, agrega Katie. “Lo que es más importante, como descubrimos al obtener imágenes de Sgr A*, solo aparece una fracción muy pequeña de imágenes sin anillo. Con base en este estudio detallado, concluimos que las imágenes que no son de anillo son causadas por la cantidad limitada de datos y la emisión rápidamente variable de Sagitario A*, en lugar de ser intrínsecas al propio agujero negro”.

“La imagen de Sagitario A* ahora tiene el récord (anteriormente establecido por M87*) de la imagen interferométrica más minuciosamente examinada que jamás se haya realizado”, concluye José L.

Ahora que hemos tomado la imagen de Sgr A*, ¿qué sigue para el EHT?

“Esto es solo el amanecer de la apasionante era que abrió la EHT”, nos dice José L. “El EHT se ha vuelto más poderoso desde 2017 cuando obtuvimos datos que proporcionaron estas primeras imágenes de agujeros negros. Ahora, el EHT tiene un ojo más sensible y nítido, con nuevos telescopios adicionales e instrumentos mejorados. Trabajaremos en nuevos datos del EHT actualizado en los próximos años, lo que proporcionará una visión más nítida y dinámica de los agujeros negros”.

“Por supuesto, también hay desafíos por delante”, explica Kazu. “A medida que el EHT se vuelva más poderoso, tendremos datos mucho más ricos. El gran volumen de datos del EHT, que ya ascendía a 5 petabytes en 2017, ha crecido aún más desde entonces. La forma en que manejemos esto y busquemos tesoros escondidos en conjuntos de datos tan enormes será nuestro próximo desafío emocionante, con enormes recompensas en consecuencia”.

“El EHT también está observando otros agujeros negros supermasivos, investigando el plasma caliente en su vecindad. Esto podría conducir algún día a una eventual tercera imagen de un agujero negro, pero solo si hemos subestimado los tamaños de estos agujeros negros; si son demasiado pequeños, no podremos discernir sus sombras”.

Por supuesto, solo la historia detrás de la imagen de Sgr A* es para los libros de historia, y les preguntamos a nuestros tres entrevistados qué consejo darían a los futuros astrónomos.

“Sueña en grande, mantén la curiosidad y no dejes que nadie te diga que no puedes tener éxito”, dice Katie. “Si te lo propones y trabajas duro, muchas veces puedes lograr lo que originalmente parecía imposible. Recuerda que puedes ser tu propio peor enemigo: una vez que comienzas a dudar de ti mismo, el juego termina. Es normal sentirse inseguro de sí mismo, ¡pero póngase esas anteojeras y siga adelante!

José L. está de acuerdo: “¡Sigue tus sueños! Es tu imaginación, y la fascinación por entender cómo funciona el Universo. Estas son las únicas cosas que necesitas para hacer de cada día de tu vida un viaje de descubrimiento”.

“No tengas miedo del riesgo de fallar”, agrega Kazu. “Con los últimos diez años de mi vida en el EHT, aprendí que pase lo que pase y como sea que termine, toda la experiencia que obtendrás será un elemento muy fructífero de tu vida”.

Fuente: European Southern Observatory (ESO), Blog.

Artículo original:The challenges of taking the first image of the Milky Way’s dark heart‘. Anita Chandran. Mayo 12, 2022.

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Sobre la primera imagen de Sgr A*

¿Qué se necesita para capturar una imagen de un agujero negro en el centro de nuestra galaxia? Este video explica cómo funciona el Event Horizon Telescope (EHT) y cómo los/las astrónomos/as lograron crear un telescopio masivo del tamaño de la Tierra, suficientemente grande como para «ver» el borde de un agujero negro. Crédito: ESO.

Astrónomos revelan la primera imagen del agujero negro en el corazón de nuestra galaxia

En conferencias de prensa simultáneas en todo el mundo, entre ellas la celebrada en la sede central del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (Madrid, España), un equipo internacional de astrónomos y astrónomas ha desvelado la primera imagen del agujero negro super masivo situado en el centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea. Este resultado proporciona pruebas abrumadoras de que el objeto es sin duda un agujero negro y aporta valiosas pistas sobre el funcionamiento de tales gigantes, que supuestamente ocupan el centro de la mayoría de las galaxias. La imagen fue producida por un equipo de investigación global llamado Event Horizon Telescope (EHT) Collaboration, utilizando observaciones de una red mundial de radiotelescopios. Crédito: EHT Collaboration.

La esperada imagen nos muestra al fin el aspecto real del enorme objeto que se encuentra en el centro de nuestra galaxia. Anteriormente, la comunidad científica ya había observado estrellas orbitando alrededor de algo invisible, compacto y muy masivo en el centro de la Vía Láctea. Estas órbitas permitían postular que este objeto -conocido como Sagitario A* – era un agujero negro, y la imagen proporciona la primera evidencia visual directa de ello.

Sobre la historia de la primera imagen de Sgr A*

Este video de lapso de tiempo del instrumento NACO en el Very Large Telescope de ESO en Chile muestra estrellas orbitando el agujero negro super masivo que se encuentra en el corazón de la Vía Láctea durante un período de casi 20 años.
Crédito: ESO/MPE
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Presentemos a Sagitario A*, o Sgr A* para abreviar, el agujero negro super masivo que acecha en el centro de la Vía Láctea, y cómo llegamos a conocerlo. En el siguiente artículo conocerás la historia de las observaciones que indican que hay un agujero negro super masivo en el centro de nuestra galaxia y la tecnología que se desarrolló para permitir tales observaciones.

Astronomy Picture of the Day (APOD)

El agujero negro de la Vía Láctea. APOD.
Crédito de la imagen: X-ray – NASA/CXC/SAO , IR – NASA/HST/STScI; Recuadro: Radio – Event Horizon Telescope Collaboration.

Explicación: Hay un agujero negro en el centro de la Vía Láctea. Se observa que las estrellas orbitan un objeto muy masivo y compacto conocido como Sgr A* (diga «sadge-ay-star» ). Pero esta imagen de radio recién publicada (recuadro) del Telescopio Event Horizon del planeta Tierra es la primera evidencia directa del agujero negro central de la Vía Láctea. Como predijo la Teoría de la Relatividad General de Einstein, la fuerte gravedad del agujero negro de cuatro millones de masas solares está desviando la luz y creando una región central oscura similar a una sombra rodeada por una estructura brillante similar a un anillo. Las observaciones de apoyo realizadas por telescopios espaciales y observatorios terrestres proporcionan una visión más amplia del entorno dinámico del centro galáctico y un contexto importante para la imagen del agujero negro del Event Horizon Telescope. La imagen del panel principal muestra los datos de rayos X de Chandra y los datos infrarrojos de Hubble. Mientras que el panel principal tiene unos 7 años luz de diámetro, la imagen insertada del Event Horizon Telescope abarca solo 10 minutos luz en el centro de nuestra galaxia, a unos 27.000 años luz de distancia.

Conferencias de Prensa anunciando el logro

Sobre la primera imagen de un agujero negro

El EHT y la Primera imagen de la Sombra de un Agujero Negro. 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 de un agujero negro supermasivo y su sombra. Esta película de 17 minutos explora los esfuerzos que llevaron a esta imagen histórica, desde la ciencia de Einstein y Schwarzschild hasta las luchas y los éxitos de la colaboración de EHT.
Crédito: European Southern Observatory, ESO.

El ejemplo más notable de un agujero negro supermasivo es el correspondiente a la galaxia elíptica M87, del cual el Telescopio de Horizonte de Evento logró la primer fotografía en la historia. El siguiente artículo lo presenta y contiene una selección de recursos sobre el tema.

Los Misterios de los Agujeros Negros. Una explicación en Español de la primera imagen de un agujero negro. Crédito: Veritasium en Español.

Observando los Efectos de la Relatividad General Alrededor de Agujeros Negros:El ‘Redshift Gravitatorio’ y la Rotación de un Agujero Negro.

Observaciones astronómicas de la materia que rodea los agujeros negros ponen en evidencia algunas predicciones de la Relatividad General en condiciones de campo gravitatorio fuerte. Una de ellas, el redshift gravitatorio, no solo se observa de forma rutinaria sino que se usa para medir la rotación del agujero negro. El spin de los agujeros negros gigantes encierra la clave de su crecimiento, e indirectamente de la evolución de las galaxias.

Curiosidades

Destellos del agujero negro super masivo de la Vía Láctea

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Crédito: ESO / MPE / Marc Schartmann
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