¡Síguenos!
Imagen del agujero negro M87.

Divulgación

La imagen más esperada del universo (hasta que mejore el Madrid)

Hoy toca hablar de la relación entre las faltas de Messi y Cristiano con las teorías de Newton y Einstein. Y, por supuesto, de los agujeros negros.

Mientras el universo madridista sigue esperando la mejor imagen del Real Madrid de Zidane, quédense conmigo que les explicaré esta otra imagen, la más esperada del universo y que se reveló al mundo en abril de 2019.

Cristiano Ronaldo es el máximo conocedor de la gravedad, no hay más que ver cómo lanza las faltas, igual que Messi. Ambos son expertos en hacer que el balón describa un tiro parabólico desde que sale de sus botas hasta que cae en la portería contraria. Una vez que la pelota sobrepasa la barrera comienza a descender, describiendo una curvatura casi perfecta, como diría Newton. Esto es debido a la fuerza de la gravedad que la tierra ejerce sobre la pelota; como coloquialmente se dice, las cosas caen por su propio peso.

Pero Einstein, oponiéndose a Newton, nos explicó que la fuerza de la gravedad no existe como tal, y que todo es consecuencia de una nueva dimensión, el tiempo, y es la masa de nuestro planeta tierra la que deforma el espacio-tiempo haciendo que la pelota describa esta trayectoria parabólica hasta terminar en la red.

¿Alucinante, eh? Si os gustó el último artículo sobre mecánica cuántica, quedaos conmigo porque vamos a hablar esta vez de la Teoría de la Relatividad General, los agujeros negros que se obtienen de esta teoría, y por último voy a explicar con pelos y señales cómo se obtuvo la primera imagen revelada a la humanidad de un agujero negro. Esa es la foto que certifica que Einstein tenía razón en su teoría de la relatividad y muestra además la grandeza del ser humano, por el gran trabajo de inteligencia, esfuerzo y cooperación que se necesitó para lograr este gran reto.

Según Einstein, y como ya he adelantado, la gravedad no es una fuerza como tal, sino consecuencia de una cuarta dimensión. Lo explicaré con un ejemplo. Y volveré a utilizar a mis amigos Lucas y Somos, ya que participaron en mi último artículo y les gustó. Estos dos colaboradores de A la Contra son seres que viven en un plano, o sea que solo ven dos dimensiones. Si imaginamos la tierra plana como el campo rectangular del Santiago Bernabéu, Lucas y Somos solo podrán bascular de izquierda a derecha o derecha a izquierda como Modric, o subir y bajar la banda como Carvajal, lo único que ellos no pueden hacer es moverse en la tercera dimensión, es decir no pueden saltar como Sergio Ramos, ni tirarse al suelo como Courtois ya que esa dimensión no existiría. Digamos que serían como una especie de tapones de botella, moviéndose como en el juego de las chapas, pero sin poder levantarse.

Situemos a estos dos tapones de botella (planones) en la línea del ecuador, la que divide a la tierra en dos partes iguales. A Lucas lo subimos en un avión rumbo Oeste, al Ecuador, y a Somos lo subimos en otro avión rumbo Este, con destino a las Islas Maldivas. Una vez allí, el experimento consiste en que los dos deben comenzar a caminar hacia el polo norte. Si volvemos al símil del Bernabéu, es como si situáramos a los dos a ambos extremos de la línea del centro del campo, y el experimento consiste en que suban por la banda sin despegarse de la línea de cal, hacia el fondo norte del Bernabéu.

Pues bien, lo que se descubre es que después de unos días caminando siempre en dirección norte y sin desviarse, ¡al final se encuentran! Os preguntareis cómo es posible. Si la tierra es plana y han partido de diferentes extremos del Ecuador y han ido los dos en dirección norte, nunca deberían haberse encontrado, ya que tendrían que haber seguido caminos paralelos, nunca cruzados. Si volvemos al símil del Bernabéu, deberían terminar en cada uno de los córners del fondo norte do Bernabéu, ¡pero no juntos!

Es entonces cuando Lucas le dice a Somos: «Es fácil, te lo explico. Nos hemos encontrado debido a una fuerza que no vemos, pero que hace que nos juntemos. Aunque la tierra es plana, existe una fuerza que curva nuestra trayectoria rectilínea hacia el norte y nos hace coincidir».

Somos se resiste a creerlo y responde: «No, Lucas, no existe ninguna fuerza. Lo que pasa es que la tierra no es plana como la pensamos, y esa fuerza que mencionas, no es más que el resultado de una tercera dimensión, el hecho de que la tierra sea una esfera en vez de un plano, hace que nuestras trayectorias no sean rectilíneas como creemos. Al final la forma de la esfera hace que nos encontremos, ya que realmente no hemos venido caminado por un plano, sino por el borde de una esfera, lo que hace que nos encontremos en la cima. Digamos, por tanto, que esa dimensión que no vemos, pero que existe, es la que ha curvado nuestras trayectorias y ha hecho que nos encontremos».

¡¡¡¡Voilà!!!! Ya podéis imaginar que Lucas estaba haciendo de Newton y Somos de Einstein…

Resumiendo. Para Newton (Lucas) existe una fuerza gravitatoria que hace que dos objetos se puedan atraer entre sí, y el más grande atrae al más pequeño. Eso es por lo que la pelota de Ronaldo o Messi termina cayendo al suelo, o por lo que la manzana le cae a Newton cuando está sentado bajo un árbol; se debe al efecto de la fuerza de la gravedad que la tierra ejerce sobre la pelota o la manzana.

Pero para Einstein (Somos), esa fuerza de la gravedad es inexistente, y la fuerza gravitatoria no es más que la consecuencia de una cuarta dimensión, el tiempo, que no lo percibimos como una dimensión por ser nosotros tridimensionales (lo mismo que los planones no ven la tercera dimensión), pero es justo esta cuarta dimensión —el tiempo— la que hace que la pelota se curve.

¿Interesante eh? Profundicemos un poco más en la curvatura espacio-tiempo, pilar conceptual fundamental en la Teoría de la Relatividad General de Einstein.

Para Newton la tierra gira alrededor del sol porque éste ejerce una fuerza gravitacional sobre nuestro planeta. En cambio, para Einstein, lo que el sol genera es una perturbación en la tela de espacio-tiempo provocando así que la tierra se mueva alrededor de este. Esto es como si pusiéramos pelotas en una sábana tensada. Si rodamos una única pelota pequeña sobre la tela, esta tendrá una trayectoria en línea recta. Pero si luego ponemos una bola mucho más grande en el centro de la sábana y volvemos a rodar la pelota pequeña, esta se desviará y hará una curva debido al peso que genera la pelota grande sobre la sábana. Por tanto, no es la fuerza gravitatoria la que condiciona el movimiento de la pelota pequeña, sino la forma de la sabana por la presencia de la bola grande.

Hace más de un siglo, en 1916, Albert Einstein publicó la Teoría General de la Relatividad, auténtica revolución en el mundo de la física. Como suele pasar con todas las teorías que suponen un cambio de paradigma, la teoría de Einstein no fue aceptada de forma inmediata por sus colegas. Al contrario, tres años después de su publicación únicamente un puñado de físicos se atrevían defenderla. Y es que la nueva teoría rompía con más de dos siglos de física newtoniana. Entre otras cosas, la relatividad general ya no explicaba la gravedad como una fuerza de atracción entre las masas, sino como la deformación que éstas provocan en el espacio-tiempo y que obliga al resto de cuerpos a seguir unas trayectorias determinadas.

Dado que las sutilezas de la relatividad general sólo se ponen de manifiesto en campos gravitatorios muy intensos, y aun así las diferencias respecto de la teoría newtoniana de la gravedad son muy pequeñas, su comprobación experimental era muy difícil. Existía sin embargo un experimento que Einstein ya había propuesto mientras elaboraba la versión definitiva de su teoría.

Según la relatividad general un rayo de luz que pasa cerca de un objeto masivo, como el sol, se desvía ligeramente de su trayectoria rectilínea. Este fenómeno, conocido como deflexión de la luz, también está predicho por la teoría newtoniana de la gravitación, ya que la luz está compuesta por corpúsculos que son atraídos por la gravedad.

Pero se da la feliz circunstancia de que la desviación predicha por la relatividad general es exactamente el doble de la predicha por la teoría newtoniana. Por tanto, es suficiente medir el valor de la deflexión para saber cuál es la teoría correcta. Pero ¿cómo hacerlo? Aquí surge la idea de utilizar un eclipse de sol.

Durante la fase de totalidad del eclipse podemos ver estrellas muy próximas al sol, cuyas posiciones estarán afectadas por la deflexión. Si comparamos estas posiciones con las posiciones de estas mismas estrellas una noche cualquiera, lejos del efecto del sol, podremos determinar el valor de la deflexión. Y ese era precisamente el motivo por el que Eddington se encontraba el 29 de mayo de 1919 en la Isla de Príncipe: para obtener placas fotográficas de las estrellas próximas al sol durante el eclipse para poder determinar su desviación debido a la deflexión.

El eclipse era especialmente favorable para este objetivo, tanto por su duración (más de cinco minutos) como por encontrarse el sol en una zona del cielo especialmente rica en estrellas, en las proximidades del cúmulo de las Hyades.

Además del grupo de Eddington, otro comandado por Charles Davidson observó y fotografió el eclipse desde Sobral, en Brasil. Allí, al contrario que en Príncipe, el tiempo fue excelente, pero uno de los telescopios quedó ligeramente desenfocado, posiblemente debido al cambio de temperatura durante el eclipse, y las imágenes obtenidas con él no mostraron la calidad esperada.

Tras varios meses de análisis de las placas fotográficas (dos conjuntos de placas tomadas en Brasil con dos instrumentos diferentes, más un tercer conjunto en la Isla de Príncipe) los resultados fueron presentados por Dyson ante la Royal Astronómica Society el 6 de noviembre de 1919. De los tres valores obtenidos, dos eran totalmente compatibles con la relatividad general, mientras que el tercero, el obtenido con el instrumento ligeramente desenfocado de Brasil, se aproximaba más a la predicción newtoniana. Debido a la poca calidad de estas últimas fotografías, este resultado discordante fue desestimado.

Al día siguiente en el Times de Londres se podía leer: “Revolución en la Ciencia. Nueva teoría del Universo. Las ideas de Newton derrocadas”. La Teoría General de la Relatividad había sido comprobada y Einstein empezaba a convertirse en el científico más popular de la historia.

El valor de la deflexión de la luz ha sido determinado posteriormente con otros métodos, como la observación de radio estrellas y su valor coincide plenamente con el predicho por Einstein.

Y llegamos a 2019, más de un siglo después…

Las ecuaciones de campo de Einstein en su teoría de su relatividad general son muy difíciles de resolver. Einstein utilizó los métodos de aproximación en la elaboración de las predicciones iniciales de la teoría. Pero ya en 1916, el astrofísico Karl Schwarzschild encontró la primera solución exacta no trivial de las Ecuaciones de Campo de Einstein, la llamada Métrica de Schwarzschild. Esta solución sentó las bases para la descripción de las etapas finales de un colapso gravitacional y los objetos que hoy conocemos como agujeros negros.

Los agujeros negros son los objetos más misteriosos que predice la Teoría de la Relatividad general de Einstein. En estos objetos la gravedad es tan elevada que la curvatura del espacio-tiempo que producen da lugar a un “agujero” negro en el propio universo. Este agujero negro está rodeado por una región denominada «horizonte de eventos» en la que ni siquiera la luz puede escapar, y de ahí que se les llame negros. Nada impide que crucemos el horizonte de eventos, pero una vez que lo crucemos ya no podremos volver, ya que es una puerta de salida sin retorno de nuestro universo. Os recomiendo la película Interestelar, que habla sobre esto.

En 2015 fueron detectadas por primera vez las ondas gravitatorias, también descritas por Einstein en su Teoría de la Relatividad General. Fue posible por la colisión de dos agujeros negros que generaron una onda (ola) gravitatoria que llegó hasta nuestro planeta. De este tan fascinante fenómeno hablaremos en otro artículo.

Pero como los astrocientíficos siempre buscan nuevos retos, no contentos con oír a un agujero negro, se metieron entre ceja y ceja verlo, ya que hasta ahora solo habían podido observarlo de forma indirecta. Unos agujeros negros, que debemos recordarlo, fueron predichos en la teoría de la relatividad un siglo antes.

Así que, tras diez años de investigación, el 10 de abril de 2019 se presentó la primera imagen directa de un agujero negro tomada con el Telescopio del Horizonte de Eventos (EHT, su nombre en inglés). Así que los agujeros negros han pasado de ser un ente matemático predicho por la Teoría de la Relatividad General de Einstein a objetos reales que pueden ser estudiados a través de repetidas observaciones astronómicas.

La imagen muestra un agujero negro en el centro Messier (M87), una galaxia masiva situada en el cercano cúmulo de galaxias de Virgo. Este agujero negro se encuentra a 55 millones de años luz de la Tierra y es 6.500 millones de veces más masivo que el sol. Para que os hagáis una idea: cuando se observa la luz de las estrellas, estamos observando la luz del pasado, y cuando observamos concretamente la galaxia M87 estamos viendo la fotografía de la luz emitida hace 55 millones de años. Si alguien en el centro de esa galaxia M87 mirara ahora a nuestro planeta Tierra, estaría viendo la tierra en la Era Cenozoica, cuando la India colisionó con Asia, hace 55 millones de años.

Cuando hablo de observar la luz de las estrellas no estoy hablando únicamente de luz visible. La luz es complicada. Es una especie de ola electromagnética y, dependiendo de su energía, podemos hablar de luz muy energética, como los rayos Gamma, Ultravioleta o Rayos X. Por otro lado está la luz visible, que es la que entendemos por luz y que podemos ver con nuestros ojos. También existen la luz de infrarrojos (mando a distancia), la luz de microondas y, finalmente, la luz de ondas de radio, que son las menos energéticas.

El firmamento emite toda clase de luz, pero nosotros solo vemos la luz visible, lo que supone que de toda la película que nos ofrece el firmamento, solo vemos cinco minutos. Por tanto, para entender esa película tenemos que observar todo el espectro de luz que ofrece el firmamento, estrellas como nuestro sol, galaxias, pulsars, quasars, agujeros negros o planetas. Para eso están los astrónomos y astrofísicos: para tratar de medir todo tipo de luz que emite el universo y tratar de entender toda la película entera.

Referidos al agujero negro en la galaxia M87, el problema es que el fenómeno que queremos medir está muy lejos y no puede medirse con luz visible, ya que la luz visible interacciona con polvo interestelar que imposibilita la medida. Por tanto, no se pueden utilizar telescopios ópticos que recogen luz visible, sino que hay que utilizar otro tipo de luz, menos energética y que evite interaccionar con ese polvo cósmico, como la de las ondas de radio. De ahí que se utilicen radiotelescopios para medir estas señales.

Pues bien, cuando una ola de la luz interacciona con la apertura de un radiotelescopio, interacciona con sus bordes; es lo que se denomina difracción, y esta difracción hace que se creen otro grupo de olas que se mezclan con la original. A efectos prácticos hace que la señal se difumine. Uno puede arreglarlo abriendo la apertura del radiotelescopio y, por tanto, cuanto más grande sea el radiotelescopio, más resolución tendrá y mejor se verá la imagen.

Pensemos que estamos tratando de ver algo tan lejano como una naranja en la Luna. Por tanto, para lograrlo con la resolución adecuada, ¡necesitamos un radiotelescopio con una apertura del tamaño de la tierra!

Esto es lo que los investigadores del proyecto Event Horizont Telescope han venido haciendo durante diez años. Mediante una técnica llamada interferometría astronómica, consiguieron sincronizar ocho radiotelescopios a lo largo del planeta, para que conjuntamente originaran un radiotelescopio con una apertura del tamaño de la tierra. El problema es que, aunque se obtuvo una máxima resolución para observar el objeto, no se podían recoger todas las ondas de radio desde toda la superficie de la tierra, solo desde ciertos lugares.

Eso quiere decir que, debido a las pocas ondas de radio obtenidas (geográficamente hablando), se contó con pocos pixeles para formar la imagen, y es ahí cuando se tuvieron que crear diferentes algoritmos, algunos de ellos de hasta 68.000 líneas de código para construir la imagen final.

Esta sincronización de radiotelescopios apuntando al mismo tiempo a la galaxia M87 fue superprecisa, de ahí que se utilizaran relojes atómicos, que producen un desfase de un segundo cada 100 millones de años. Estos radiostelescopios generaron al día más de 350 Terabytes de información, llegando a alcanzar en las cuatro jornadas de medición —los días 5, 6, 10 y 11 de abril de 2017— un total de 5 Petabytes de datos, es decir un 1 seguido de 15 ceros de bytes.

Estos datos no podían transferirse por internet y se trasladaron por avión en discos duros a los dos institutos de análisis de datos, uno en Estados Unidos (Boston) y otro en Alemania (Bonn). Los datos en el polo sur tardaron hasta 6 meses en transportarse, debido a las malas condiciones meteorológicas. El tratamiento de la imagen una vez más fue muy complicado y llevó dos años, porque si por un lado tienes los modelos que te crean la imagen simulada, por otro lado tienes la imagen observada con pocos pixeles que tienes que reconstruir.

¿Pero cómo saber si la imagen obtenida es correcta o no? Nunca hemos obtenido una imagen de un agujero negro real como la que queremos reconstruir…

Pues bien, reconstruir la imagen final del EHT es un reto parecido a recomponer una sinfonía cuando solo puedes escuchar un número limitado de notas,; es decir, has de rellenar los espacios. Pero al igual que nuestro oído es capaz de seleccionar qué notas hacen que una sinfonía sea melodiosa, podemos rellenar estos espacios con información apropiada al problema al que nos enfrentamos. Por ejemplo, sabemos que la emisión ha de ser positiva y tener unos gradientes suaves como corresponde a imágenes astronómicas.

Para solucionar este problema se ideó una primera estrategia: durante siete semanas, cuatro equipos diferentes, sin comunicación alguna, reconstruyeron la imagen utilizando cualquiera de los diferentes algoritmos que disponían. Las cuatro imágenes obtenidas, aunque no eran exactamente iguales, tenían ciertos elementos en común, como la aparición de un anillo, más brillante en la zona de abajo, y todas tenían el mismo tamaño. Eso hizo indicar que iban por buen camino.

Esta primera estrategia era un punto de partido fiable para el segundo punto del plan. La idea ahora era buscar el conjunto de parámetros que consiguieran la reconstrucción más fiable de la foto. Por tanto, se procedió a un barrido completo del espacio de parámetros realizando un total de cerca de 50.000 imágenes, buscando qué combinación se ajustaba mejor a los datos obtenidos de M87. Estos parámetros finales se emplearon para reconstruir las imágenes de M87 correspondientes a los cuatro días de observación de 2017.

Y una vez que tenemos la imagen, ¿qué estamos viendo en ella?

Se piensa que los agujeros negros en el universo están acompañados de una gran cantidad de gas y polvo, orbitando en un disco a velocidades monstruosas, denominada disco de acreción. Son tan grandes las turbulencias ahí dentro que las partículas del gas se cargan eléctricamente creando grandes campos magnéticos. Estos campos magnéticos ayudan a ese gas muy energético cargado eléctricamente (plasma) a escapar, expulsándolos como chorros de alta energía llamados yet. Debido a estos yets, se observó su presencia en la galaxia M87 por el telescopio Hubble.

Volviendo a la foto, lo que se ve no es el yet ni el disco. Lo que estamos viendo es la luz que emite el disco de acreción y el yet orbitando. Explicándolo con más detalle, todo ocurre en el disco, las partículas eléctricas aceleradas emiten radiación sincrotrón. Parte de la radiación escapa al espacio, pero otra cae hacia el agujero negro, aunque también tienen una zona de luz intermedia que orbita alrededor de un agujero negro sin caer y sin escapar; es lo que conforma la esfera de luz que vemos en la foto.

La zona oscura de la foto conforma la sombra del agujero negro, ya que el agujero negro no se puede ver. Pero sí la sombra causada por la luz que se queda orbitando alrededor de una región más oscura central correspondiente a la captura de fotones por el horizonte de eventos.

También se ve una parte de esa esfera de luz (anillo) más luminosa, y es debido a que el disco está rotando, y la parte de mayor intensidad está rotando hacia nosotros, y la otra de menor intensidad se aleja de nosotros por la conocida colimación relativista, que mantiene que las partículas de un objeto brillante en movimiento emiten más radiación en la dirección de su movimiento.

Esta foto se ha podido comparar con diferentes modelos teóricos, donde se combinan relatividad general, magnetismo e hidrodinámica (GRMHD), y se ha comparado en una biblioteca de hasta 60.000 fotos de modelo para ver cuál es la que más se parecía a foto real y así poder calcular diferentes propiedades del agujero.

Los análisis de las imágenes y los datos interferométricos de M87 nos han permitido determinar un tamaño para el anillo de luz aumentado de cuarenta y dos microsegundos de arco, y obtener una masa para el agujero negro de M87 de 6.500 veces la masa del sol. El límite del agujero negro, el horizonte de eventos, es alrededor de 2,5 veces más pequeño que la sombra, pero no tan pequeño, ya que podría caber todo el sistema solar ahí. Por tanto, el lector ya se puede hacer un idea de la magnitud tan gigantesca del agujero negro que se ha medido.

Y ahora qué…

El EHT solo ha dado sus primeros pasos: se podrán observar nuevos objetos. Se estudiará la conexión del agujero negro con la formación, colimación y aceleración de los chorros relativistas que emanan de su corazón central. Se determinará el campo magnético en el disco que alimenta de material al monstruo central, así como el ritmo con el que se va alimentando de nueva materia. Combinar estas observaciones con simulaciones magneto hidrodinámicas relativistas nos permitirá seguir poniendo a prueba la teoría de la relatividad general en las situaciones más extremas de gravedad. La incorporación de nuevos telescopios, incluso en órbita alejados de la tierra, y observaciones a longitudes de onda más cortas, nos permitirán acotar los parámetros físicos del agujero negro con mayor precisión, como por ejemplo su rotación.

Todo esto y demás descubrimientos os lo seguiré contando aquí, en A LA CONTRA.

Jose Luis Vega es neurocientífico y trabaja en Ensayos Clínicos.

1 Comment

1 Comment

  1. José Luis Rubio

    21/08/2019 at 10:05

    Muchas gracias José Luis, tu artículo es magnífico pues siempre me costaba entender la teoría de la relatividad general y ahora lo tengo claro.

Leave a Reply

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *

Anuncio
Anuncio

Más en Divulgación

Este sitio web utiliza cookies para que usted tenga la mejor experiencia de usuario. Si continúa navegando está dando su consentimiento para la aceptación de las mencionadas cookies y la aceptación de nuestra política de cookies, pinche el enlace para mayor información. ACEPTAR

Aviso de cookies