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Espiando a un agujero negro

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10/04/2019
Por: Jorge Iván Zuluaga Callejas — Profesor Instituto de Física

Hoy se hicieron públicos los resultados de una de las más increíbles observaciones astronómicas de toda la historia: el primer vistazo a los alrededores de un agujero negro.


Fuente: Event Horizon Telescope Collaboration

¿Qué fue exactamente lo que vieron los astrónomos? ¿Por qué son importantes e históricas estas observaciones? ¿Qué sigue después de esto? Compartimos aquí algunas preguntas y respuestas que muchos nos hacemos sobre este fascinante avance científico.

¿Qué fue exactamente lo que vieron los astrónomos?

Lo que se reveló el 10 de abril fue, en pocas palabras, una imagen fabricada usando luz proveniente de los alrededores inmediatos de un agujero negro. Como la luz no puede salir directamente del agujero negro, en realidad lo que vemos en la imagen es la sombra proyectada por el agujero contra el fondo de la luz producido por gas muy caliente que gira alrededor de él.

¿Por qué es histórica esta imagen? 

La primera razón y la más obvia es porque nunca antes se había fotografiado un objeto así. Aún con todo lo que han visto los astrónomos, captar el vecindario inmediato de un agujero negro es casi imposible, ya que el tamaño de estos objetos es increíblemente pequeño, al menos para las escalas astronómicas. Si el Sol se convirtiera hoy en un agujero negro, su diámetro pasaría, de ser de más de 1 millón de kilómetros a solo 3. Los agujeros negros pueden ser millones o billones de veces más pequeños que objetos con una masa similar a la de ellos. 

La segunda razón, y la menos obvia, es que la apariencia de los alrededores de un agujero negro sólo se conocía «en el papel» o en la mente de los físicos teóricos. Su apariencia precisa fue predicha por la teoría centenaria de la gravedad de Albert Einstein (teoría general de la relatividad). Aunque esta teoría ha sido «verificada» en múltiples ocasiones, esta es una de las primeras veces que se pone a prueba directamente en un lugar donde la gravedad es increíblemente intensa. La coincidencia entre lo que dice la teoría y lo que vieron los astrónomos es asombrosa.


Fuente: Event Horizon Telescope CollaborationEdición: Jorge Zuluaga

¿Cómo se obtuvo esta imagen? 

¡Con mucho cuidado! Tomó un par de meses y mucho esfuerzo y este es uno de los detalles más increíbles de esta historia. Para construir la imagen —que más que una fotografía es un «mapa» de la luz alrededor del agujero negro—, tuvieron que usar la Tierra como un gran radiotelescopio. ¡Así como lo oye! Ningún telescopio existente, por grande que sea, sería capaz de ver una imagen así.  

Al ser tan pequeño este agujero negro (en términos astronómicos) y estar tan lejos, su tamaño en el cielo sería como intentar ver una tarjeta cívica o una tarjeta de crédito en la Luna. O para ponerlo en términos más cercanos, sería como intentar ver un átomo en la punta de su dedo.

Para conseguir esta imagen los astrónomos unieron observaciones hechas al mismo tiempo por varios radiotelescopios distribuidos por todo el mundo, incluyendo los de ALMA, ubicados en Chile.

Las observaciones se marcaron con el tiempo en el que fueron hechas —para lo cual se usa un reloj atómico— y se guardaron celosamente en discos duros. Después, un computador comparó los tiempos de las observaciones y construyó el mapa de luz. Para ello debía saber la distancia entre los telescopios con una precisión de milímetros, así los más distantes se encontraran en lados opuestos de la Tierra —a más de 10 mil millones de milímetros de distancia—. A este técnica los astrónomos lo llaman «interferometría» y es un proceso muy diferente al de tomar una foto. Es por eso que lo que vemos no puede llamarse «foto» sino un «mapa de luz». En cualquier caso ¡no deja de ser sorprendente!


La red de telescopios Event Horizon Telescope (EHT).

¿Qué aprendimos con esta imagen?

Lo primero y lo más importante para muchos científicos, es que podemos confiar en la Teoría de la Gravedad de Einstein para estudiar los alrededores inmediatos de los agujeros negros. ¡Este es un gran triunfo de la física teórica!

En segundo lugar, midiendo el tamaño de la sombra —el disco negro en el centro— se puede saber el tamaño del agujero negro, algo que los astrónomos llaman su «horizonte de eventos» y que en la imagen mide algo poco menos de la mitad del disco negro. Conociendo el tamaño del horizonte de eventos se puede saber el peso o la masa del agujero negro para ser más exactos.

De otro lado, la forma del anillo de luz y su asimetría nos dan una idea de cuánto rota y en qué dirección lo hace. Todos estos datos son importantes para los astrónomos que estudian el centro de las galaxias. Estas observaciones son el equivalente a que un neurocientífico viera por primera vez una neurona en el microscopio. 

Las observaciones muestran que este agujero negro es más grande que la órbita de Plutón, es decir, dentro de él cabría casi todo el Sistema Solar. ¡No es tan pequeño entonces! En realidad sí lo es, lo que pasa es que para nuestras escalas el Sistema Solar parece grande pero es un rincón minúsculo del cosmos.  

Por su tamaño sabemos que pesa 6.500 millones de veces más que nuestro Sol. Para hacernos una idea, podríamos decir que para formar este agujero negro algo tuvo que meter tantas estrellas como seres humanos vivos en la Tierra dentro del espacio en el que hoy, en el Sistema Solar solo hay un sol.  El agujero negro gira a la velocidad de la Luz, pero como es tan grande le toma un par de días completar una vuelta.

¿Dónde está este agujero negro y por qué fue seleccionado para este estudio?

Este agujero negro está en el centro de una grandiosa galaxia, nombrada con el código M87. Este avispero gigante de estrellas se encuentra ubicado a la medio bicoca de 50 millones de años luz. La galaxia pesa casi 10 veces lo que pesa la nuestra y fue formada por la unión de muchas galaxias en el pasado.  

M87 ha sido observada muchísimas veces y se había descubierto que un gran chorro de plasma salía de su centro, revelando precisamente la presencia de un agujero negro supermasivo allí. Ya el Event Horizon Telescope había observado en años anteriores la base de este gigantesco chorro, lo que le permitió precisar algunas propiedades iniciales del agujero negro, pero solo hasta ahora podemos ver una imagen de su entorno inmediato.


Imagen de la Galaxia M87 tomada con el telescopio Hubble, combinando luz visible e infrarroja.  Saliendo del centro se ve el chorro de plasma que sale desde el agujero negro central.

En el centro de la Vía Láctea también hay un agujero negro gigante ¿por qué no observaron ese que está más cerca? 

En realidad sí lo hicieron y en algún momento del futuro es posible que revelen los datos que obtuvieron. Es solo que las imágenes obtenidas para el agujero negro central de la Vía Láctea, llamado también Sagitario A* —con el asterisco y todo— no son tan espectaculares ni útiles como estas.  

La razón más importante es que «nuestro» agujero negro es 1.000 veces más pequeño y el tiempo que se demora en dar una vuelta es, por tanto, 1.000 veces menor. Sacar una imagen como la que tomamos del agujero negro central de M87, pero de Sagitario A*, es como tratar de ver las alas de una mosca con una cámara de celular: en lugar de una delicada tela, verías un borrón irreconocible.

¿Veremos imágenes de más alta resolución en el futuro?

Posiblemente no, al menos en el futuro mediano. La razón es simple: para hacerlo tendríamos que vivir en un planeta más grande.  

Es importante entender que la capacidad que tiene la interferometría (el método que usamos para hacer esta imagen) para ver detalles, depende de la máxima distancia entre los telescopios de la red. Hasta ahora, esta distancia es de 10,000 km, que es más o menos el tamaño de la Tierra.  

Si quisiéramos ver más detalles tendríamos que aumentar esa distancia; pero eso solo se podría en un planeta mayor o poniendo algunos telescopios en el espacio. Sin embargo, al poner los telescopios arriba, nuestra capacidad para medir con precisión el tiempo de observación o la distancia precisa entre ellos disminuiría, haciendo muy difícil conseguir la resolución buscada. Pero el futuro podría depararnos sorpresas y avances tecnológicos que hicieran posible este logro.

¿Qué sigue después de esto?

Posiblemente observar otros agujeros negros supermasivos en galaxias vecinas. Naturalmente la observación de Sagitario A* seguirá estando en las prioridades del Event Horizon Telescope que debe encontrar maneras de resolver el problema del tiempo de observación.

Para los físicos teóricos se abren también posibilidades fantásticas en términos de las ideas que pueden poner a prueba en este nuevo tipo de observaciones. ¡Vivimos tiempos asombrosos!

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