Enrique F. Borjavozpopuli autores
Enrique F. Borja

Agujeros negros

Conoceremos al agujero por su sombra

A unas horas de que se haga pública la primera imagen de un agujero negro, el físico y divulgador Enrique F. Borja analiza lo que ha hecho falta para este gran descubrimiento.

El EHT, por sus siglas en inglés Event Horizon Telescope (Telescopio del Horizonte de Sucesos), mostrará al mundo dentro de unas horas la primera foto de un agujero negro. Y si lo ha conseguido es gracias que no es un único telescopio, sino un conjunto de radiotelescopios distribuidos por todo el planeta.

Lo alucinante de todo esto es que para poder ver el agujero negro se necesitaría un telescopio con un diámetro tan grande como la superficie de la Tierra por una de sus caras.  Si lo pensamos, para recibir la señal que hemos de detectar, que está en el rango de las microondas, hemos de convertir la superficie de la Tierra en un plato parabólico de antena.

Event Horizon Telescope
Event Horizon Telescope ESO

Eso evidentemente no es lo que se ha hecho, por razones obvias, pero lo que sí que se ha hecho es tomar distintos radiotelescopios en distintos puntos del planeta y coordinar sus observaciones con precisión atómica.  Literalmente las observaciones se correlacionan entre todos los radiotelescopios usando relojes atómicos.  Con este proceso se puede apuntar todo el tiempo al punto de interés y tener una resolución óptima para observar agujeros negros supermasivos.

 Pero, ¿cómo se puede observar algo que por definición no se puede ver?  Por la propia definición de agujero negro es un objeto negro, no emite luz, por lo tanto no emite tampoco microondas y hemos de concluir que es algo infotografiable. Afortunadamente, los agujeros negros del centro de las galaxias están rodeados de materia y es eso, justamente, lo que nos permite fotografiar a los agujeros. 

Un agujero negro es un objeto que tiene toda su masa contenida en un volumen muy pequeño.  En realidad, tiene que tener su masa contenida en un volumen de radio menor al conocido como radio de Schwarzschild. 

Fórmula del radio de Schwarzschild
Fórmula del radio de Schwarzschild

El radio de Schwarzschild depende proporcionalmente de la masa, por tanto masas mayores tiene radios de Schwarzschild mayores.  Si nos fijamos el radio en cuestión depende inversamente del cuadrado de la velocidad de la luz, eso quiere decir que es un radio muy, muy pequeño.  Por ejemplo, para crear un agujero negro de la masa del Sol tendríamos que compactar toda su materia en un radio de alrededor de 3 km.  Para hacerlo con la Tierra tendríamos que comprimir toda su materia en una cosa de 9 milímetros de radio.

¿Qué nos indica el radio de Schwarzschild?  Bueno, pues nos dice el límite a partir del cual ya no se puede escapar de un agujero negro.  Es decir, un agujero negro tiene una superficie (imaginaria) que marca el punto de no retorno, el punto que si se cruza ya no se puede escapar de la gravedad del agujero.  Esa superficie es el horizonte de sucesos.   

Pero aún hay más cosas que entender de un agujero negro.  En el exterior del mismo podemos encontrar lo que se conoce como esfera de fotones.  Esta marca otro límite, es aquella zona en la que la gravedad es tan intensa alrededor del agujero que los fotones se mueven en órbitas.  El problema es que esa es una región inestable y los fotones que se mueven en dicha órbitas o salen despedidos de la esfera de fotones hacia fuera o caen al agujero.

La cuestión es, como hemos dicho, que tenemos un agujero negro, rodeado de materia.  Esta materia está emitiendo radiación, una radiación muy débil, por motivos que aún no conocemos del todo para el caso del agujero negro del centro de nuestra galaxia.  Su brillo es ciento de veces inferior al del Sol y está muy lejos, a unos 26000 años luz de nosotros.  Así que la tarea de echarle una foto no es algo menor. 

Lo que hemos visto es lo que se conoce como la sombra del agujero.  Es una región en la vemos la materia caer al agujero y vemos esa materia cayendo de una forma rara porque esperaríamos que esa materia estuviera distribuida en un disco plano.  El hecho es que es un disco plano pero que lo vemos deformado porque estamos viendo el efecto de la curvatura del espaciotiempo alrededor del agujero.

Simulación del aspecto de un agujero negro
Simulación del aspecto de un agujero negro : Bronzwaer, Moscibrodzka, Davelaar and Falcke, Radboud University, 2017

 Así vemos que una zona del disco es más brillante, es la que se está moviendo hacia nosotros, y otra menos brillante, la que se aleja de nosotros en el movimiento de caída. 

Lo interesante es estudiar la sombra del agujero:

Proyección de la sombra del agujero
Proyección de la sombra del agujero ESA

Sabiendo cómo es esta sombra vamos a poder poner a prueba la teoría de la Relatividad General porque esta teoría predice cómo deberían de ser estas sombras.  Ahora veremos si en entornos de gravedad muy intensa la Relatividad General sigue siendo la teoría por excelencia o hay que buscar modificaciones. Conoceremos al agujero por su sombra.

Pero, volvamos un momento al tema de la detección. Si nos fijamos lo que podemos hacer con los telescopios es tomar imágenes muy parciales del agujero.  También es cierto que con el movimiento terrestre esas imágenes se pueden completar un poco.

¿Qué necesitamos para saber qué aspecto tiene el agujero negro?
¿Qué necesitamos para saber qué aspecto tiene el agujero negro? Katie Bouman

El problema es que hay que reconstruir la imagen completa y eso es un problema muy, muy difícil.  El motivo es que dados los datos que generan los telescopios podríamos encontrar infinitas imágenes que fuesen consistentes con esos datos.  ¿Entonces?  Pues entonces lo que hemos de darnos cuenta de que esta foto no solo ha sido posible por tener buenos telescopios, además hemos necesitado dos ingredientes más.  Por un lado una gestión enorme de datos, estamos hablando de que el EHT genera 250PB a la semana.  Muchísimos más datos que todos los experimentos del LHC juntos. Y que se han tenido que diseñar algoritmos capaces de determinar qué imagen reconstruida, de entre todas las consistentes con los datos, es la más probable que nos esté dando la imagen real.

Conoceremos qué aspecto tiene analizando todos los datos
Conoceremos qué aspecto tiene analizando todos los datos Katie Bouman

En definitiva, este ha sido otro de esos momentos de gloria para la ciencia.  Y podemos decir que lo hemos vivido, otro más.

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