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¿Cómo se tomó la primera fotografía de un agujero negro?

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El miércoles 10 de abril, el mundo recibió algo sin precedentes: ¡la primera imagen de un agujero negro! Específicamente, la imagen capturó el Agujero Negro Supermasivo (SMBH) en el centro de M87 (también conocido como Virgo A), una galaxia elíptica supergigante en la constelación de Virgo.

Esta imagen ya se está comparando con imágenes como el "punto azul pálido" tomadas por Voyager 1 misión o la imagen "Earthrise" tomada por Apolo 8. Al igual que estas imágenes, la imagen del agujero negro M87 ha capturado la imaginación de personas de todo el mundo.

Este logro se basó en años de arduo trabajo en el que participaron astrónomos, observatorios e instituciones científicas de todo el mundo. Como ocurre con la mayoría de los logros de este calibre, innumerables personas desempeñaron un papel y merecen crédito por hacerlo realidad.

Pero como siempre, hubo un puñado de personas cuyas contribuciones realmente se destacan. Además, capturar la primera imagen de un agujero negro dependía de mucha tecnología especializada y métodos científicos, que también merecen atención. ¡Se podría decir que su logro histórico tuvo una acumulación histórica!

Aquellos que hicieron que sucediera:

Desde que el proyecto EHT publicó la primera imagen de un agujero negro, Katherine Bouman se ha convertido en una especie de nombre familiar. Pero, ¿quién es este cazador de agujeros negros cuyo trabajo nos ha ayudado a mirar el rostro de uno de los fenómenos más misteriosos del Universo?

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Bouman recibió su Ph.D. Ingeniería eléctrica e informática en el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) en 2017. Desde entonces, Bouman ha trabajado como investigadora postdoctoral en el proyecto Event Horizon Telescope, donde aplicó métodos computacionales emergentes para ampliar los límites de la tecnología de imágenes.

Entre sus contribuciones se encuentra el desarrollo de un algoritmo que fue fundamental para la obtención de la imagen, conocido como Reconstrucción Continua de Imágenes de Alta Resolución usando Patch priors (CHIRP). Aunque CHIRP en sí no se utilizó, inspiró los procedimientos de validación de imágenes utilizados, que Bouman también desempeñó un papel importante en el desarrollo.

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Además de verificar y seleccionar parámetros para filtrar imágenes tomadas por el EHT, también ayudó al marco de imagen que comparó los resultados de diferentes técnicas de reconstrucción de imágenes. Después de la publicación de la imagen del agujero negro, una foto de Bouman sonriendo frente a la pantalla de una computadora comenzó a viralizarse en Internet.

Después de que se hizo el anuncio, Bouman publicó una foto de ella, ella y su equipo de investigación (que se muestra arriba) con la leyenda:

"¡Estoy tan emocionado de que finalmente podamos compartir en lo que hemos estado trabajando durante el año pasado! La imagen que se muestra hoy es la combinación de imágenes producidas por múltiples métodos. Ningún algoritmo o persona hizo esta imagen, requirió lo increíble el talento de un equipo de científicos de todo el mundo y años de arduo trabajo para desarrollar el instrumento, el procesamiento de datos, los métodos de obtención de imágenes y las técnicas de análisis necesarios para llevar a cabo esta hazaña aparentemente imposible. Ha sido un verdadero honor, y estoy qué suerte haber tenido la oportunidad de trabajar con todos ustedes ".

Bouman y su grupo están analizando actualmente las imágenes del Event Horizon Telescope para aprender más sobre la relatividad general en un campo gravitacional fuerte. Por su destacada labor, Bouman también recibió recientemente un puesto como profesora asistente en el departamento de Computación y Ciencias Matemáticas (CMS) de Caltech.

Junto con Caltech, Bouman trabajará para crear un laboratorio dedicado a experimentar con imágenes computacionales y algoritmos de aprendizaje automático. Este laboratorio será el primero de su tipo y se espera que tenga un impacto significativo en el estudio de las singularidades gravitacionales y otros fenómenos extremos.

Luego está Sheperd Doeleman, investigador principal del Centro Harvard-Smithsoniano de Astrofísica (CfA), director asistente de Observación de la Iniciativa Agujero Negro de Harvard y director del EHT. También es científico investigador principal en el MIT y director asistente del Observatorio Haystack del MIT, uno de los ocho que participaron en el EHT.

Fue durante su tiempo en el Observatorio Haystack del MIT que Doeleman se convirtió en una de las primeras personas en ver los primeros indicios del agujero negro en el centro de la Vía Láctea. Y fue por los análisis que realizó para dar sentido a los datos que lo revelaron por primera vez.

"Ese fue un momento en el que había una persona, yo, en el mundo que sabía lo que acababa de suceder", dijo. "Eso fue bastante sorprendente. Porque tan pronto como supimos que había algo allí, los guantes se quitaron y estábamos listos para comenzar a construir una matriz del tamaño de la Tierra para obtener imágenes".

Sin embargo, fue en mayo de 2018 cuando su equipo logró lo que muchos pensaban que era imposible. Comenzó con una conferencia en el BHI, donde estudiantes y postdoctorados compartieron algunos de los datos que habían obtenido con Doeleman. Como describió el momento del descubrimiento:

"Pudimos ver las firmas reveladoras en estos datos ... y todos lo estábamos mirando y dijimos, 'Wow'. Trabajé hasta altas horas de la noche creando un modelo de cuán grande era lo que estábamos viendo, y eso es cuando supe que teníamos algo muy, muy interesante ".

Además de su amplia experiencia en el estudio de fenómenos astrofísicos, Doeleman también aportó su experiencia en interferometría de línea de base muy larga (VLBI). Este proceso, donde los platos de radio que están separados por grandes distancias se combinan para formar una matriz de telescopio virtual, fue esencial para los esfuerzos del EHT.

Con su grupo en el MIT, Doeleman ayudó a desarrollar la instrumentación que ha permitido a los astrónomos lograr la mayor resolución posible con VLBI en los observatorios terrestres. En el pasado, él y su equipo han utilizado esta técnica para estudiar las estrellas recién nacidas y las atmósferas de las estrellas moribundas.

Pero con las capacidades de generación de imágenes de EHT, las técnicas que él ayudó a desarrollar ahora pueden usarse para examinar cómo funcionan la gravedad y la relatividad general en las condiciones más extremas. Esto abre efectivamente una nueva puerta para comprender cómo funciona nuestro Universo.

“Esto cumple nuestro sueño de tomar la primera fotografía de un agujero negro”, dijo Doeleman. “Ahora tenemos acceso a un laboratorio cósmico de extrema gravedad donde podemos probar la teoría de la relatividad general de Einstein y desafiar nuestras suposiciones fundamentales sobre el espacio y el tiempo. "

Gracias al papel que desempeñó en la coordinación del proyecto, Doeleman ahora lidera el proyecto EHT. Más allá de Bouman y Doeleman, innumerables científicos e ingenieros desempeñaron un papel vital para lograr este hito. Además, participaron varias instalaciones y procesos clave.

Cómo se tomó la imagen:

El Event Horizon Telescope (EHT) es esencialmente un radiotelescopio del tamaño de un planeta compuesto por observatorios de todo el mundo. En la actualidad, el EHT consta de ocho sitios, que incluyen:

  • Telescopio James Clerk Maxwell (JCMT) en el Observatorio Mauna Kea (CSO) en Hawai
  • Gran Telescopio Milimétrico Alfonso Serrano (LMT) en el Volcán Sierra Negra, cerca de Veracruz, México
  • Matriz combinada para la investigación en astronomía de ondas milimétricas (CARMA) en el este de California
  • Los dos radiotelescopios del Observatorio Nacional Kitt Peak (KPNO), ubicados al sur de Tucson, Arizona
  • Telescopio submilimétrico (SMT) del Radio Observatorio de Arizona (ARO) en el sur de Arizona
  • Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) del Observatorio Europeo Austral (ESO) en el norte de Chile
  • Telescopios de 30 metros en el sur de España, que son operados por el Instituto de Radioastronomía Milimétrica (IRAM)
  • Telescopio del Polo Sur (SPT) en el Estación Amundsen – Scott South Pole

Al combinar antenas de radio y datos de varias estaciones de interferometría de línea de base muy larga (VLBI), el EHT puede lograr un nivel de resolución que permite a los científicos ver el entorno intermedio alrededor de los agujeros negros (también conocido como horizonte de eventos).

Esta no fue una tarea fácil, dada la naturaleza extrema de los agujeros negros. Originalmente predichos por la Teoría de la Relatividad General (GR) de Einstein, los agujeros negros son esencialmente lo que sucede con las estrellas particularmente masivas una vez que alcanzan el final de su vida útil.

En esta coyuntura, cuando una estrella ha agotado lo último de su combustible de hidrógeno y helio, sufre un colapso gravitacional. Esto conduce a una explosión masiva conocida como supernova, donde la estrella explota sus capas externas. Dependiendo de la masa de la estrella, el resultado será un remanente estelar (es decir, una estrella de neutrones o una "enana blanca") o un agujero negro.

De hecho, el término "agujero negro" es un nombre poco apropiado, ya que en realidad son objetos extremadamente comprimidos que contienen una cantidad extraordinaria de materia dentro de una región diminuta. Debido a su naturaleza compacta, ejercen una fuerza gravitacional extremadamente poderosa de la que nada, ni siquiera la luz, puede escapar.

Debido a esto, los científicos solo pudieron inferir la existencia de agujeros negros en función de los efectos que tienen en su entorno. Estos incluyen la forma en que deforman el espacio-tiempo, haciendo que los objetos a su alrededor caigan en órbitas excéntricas, y la forma en que hacen que el material caiga en un disco a su alrededor que se calienta a cientos de miles de millones de grados.

Como resumió Ramesh Narayan, profesor de la Universidad de Harvard y líder en el trabajo teórico de EHT:

“Durante décadas, hemos estudiado cómo los agujeros negros tragan material y alimentan los corazones de las galaxias. Ver finalmente un agujero negro en acción, doblando su luz cercana en un anillo brillante, es una confirmación impresionante de que existen agujeros negros supermasivos y coinciden con la apariencia esperada de nuestras simulaciones ".

Los objetivos del proyecto eran los dos agujeros negros con el mayor tamaño angular aparente visto desde la Tierra. Estos son el SMBH ubicado en el centro de la Vía Láctea (Sagitario A *) y el SMBH en el centro de la galaxia conocida como M87 (Virgo A).

Para capturar una imagen de estos SMBH, los astrónomos necesitaban un telescopio de resolución sin precedentes. Aquí es donde entró el ELT. Jonathan Weintroub, quien co-coordina el Grupo de Desarrollo de Instrumentos del EHT, explicó:

“La resolución del EHT depende de la separación entre los telescopios, denominada línea de base, así como de las longitudes de onda de radio milimétricas cortas observadas. La mejor resolución en el EHT proviene de la línea de base más larga, que para M87 se extiende desde Hawai'i hasta España. Para optimizar la sensibilidad de línea de base larga, haciendo posibles las detecciones, desarrollamos un sistema especializado que suma las señales de todos los platos SMA disponibles en Maunakea. En este modo, el SMA actúa como una única estación EHT ".

A través de sus ocho observatorios, el EHT registró millones de gigabytes de datos de estos dos agujeros negros. En total, cada telescopio tomó aproximadamente un petabyte (1 millón de gigabytes) de datos y los registró en varias unidades Mark6, registradores de datos que se desarrollaron originalmente en el Observatorio Haystack.

Después de que terminó la ejecución de observación, los investigadores de cada estación empacaron la pila de discos duros, que luego fueron trasladados al Observatorio MIT Haystack en Massachusetts, EE. UU., Y al Instituto Max Planck de Radioastronomía, Bonn, Alemania.

Una vez allí, los datos fueron correlacionados y analizados por 800 computadoras que están conectadas a través de una red de 40 Gbit / s. Sin embargo, convertir estos datos en una imagen requirió el desarrollo de nuevos métodos y procedimientos.

Esto implicó comparar imágenes entre cuatro grupos independientes de científicos utilizando tres métodos de imagen diferentes, que fueron diseñados y dirigidos por Katie Bouman. En los próximos años, el EHT planea mejorar la resolución angular del proyecto agregando dos matrices más y tomando observaciones de longitud de onda más corta.

Estos incluyen el Telescopio de Groenlandia, que es operado conjuntamente por el Observatorio Astrofísico Smithsonian y el Instituto de Astronomía y Astrofísica Academia Sinica; y el Northern Extended Millimeter Array (NOEMA) de IRAM en el sur de Francia.

¿Por qué parece "un anillo de fuego?":

Además de la existencia de agujeros negros, la Teoría de la Relatividad General de Einstein predijo que un agujero negro proyectaría una sombra circular sobre el brillante disco de material que lo rodea. Esencialmente, la región dentro del horizonte de sucesos de los agujeros negros aparecería como una oscuridad total, en marcado contraste con el disco muy brillante más allá.

El presidente del Consejo Científico de EHT, Heino Falcke de la Universidad de Radboud en los Países Bajos, explicó todo eso de la siguiente manera:

"Si se sumerge en una región brillante, como un disco de gas incandescente, esperamos que un agujero negro cree una región oscura similar a una sombra, algo predicho por la relatividad general de Einstein que nunca antes habíamos visto. Esta sombra, causada por la La curvatura gravitacional y la captura de luz por el horizonte de eventos revela mucho sobre la naturaleza de estos fascinantes objetos y nos permitió medir la enorme masa del agujero negro de M87 ".

Curiosamente, esta aparición también fue predicha con precisión por el equipo de efectos especiales detrás de la película Interstellar. Para agregar un sentido de realismo a la película, el físico teórico y premio Nobel Kip Thorne desarrolló un nuevo conjunto de ecuaciones para guiar el software de renderizado del equipo de efectos especiales.

Para hacer esto, Thorne se basó en principios científicos conocidos. Estos incluyeron el hecho de que el agujero negro se formó a partir de un remanente estelar masivo, lo que significaría que estaría girando a una velocidad cercana a la de la luz. Esto también significaría que el agujero negro tendría un disco de acreción brillante, que parecería curvarse sobre la parte superior y debajo de la parte inferior simultáneamente.

RELACIONADO: LAS CONTRIBUCIONES "INTERESTELARES" DE KIP THORNE

Para simular el disco de acreción, el equipo de efectos especiales generó un anillo plano y multicolor y lo colocó alrededor de su agujero negro giratorio. El resultado final mostró que el efecto de deformación que tuvo en el espacio-tiempo también deformaría el disco de acreción, creando la ilusión de un halo.

Al comparar la imagen del SMBH de M87 con la representación de Interstellar (ver más abajo), se pueden ver algunas similitudes sorprendentes. Estos incluyen las regiones centrales y oscuras y los brillantes discos de acreción que las rodean, lo que les da una especie de apariencia de "anillo de fuego" u "ojo de Sauron".

Implicaciones para la astrofísica:

Como han explicado muchos astrónomos desde la publicación de la imagen, la capacidad de fotografiar un agujero negro está abriendo una nueva era en astrofísica. Al igual que las primeras detecciones de ondas gravitacionales, este logro permite a los científicos detectar y visualizar fenómenos que eran teóricos o que solo podían estudiarse indirectamente.

Estos incluyen pruebas más radicales de la teoría de la relatividad general de Einstein. Si bien se han realizado muchas pruebas durante el siglo pasado para verificar los efectos que la gravedad tiene en el espacio-tiempo, la gran mayoría de ellas han involucrado objetos de tamaño planetario o estelar.

Con la capacidad de visualizar SMBH, los científicos podrán probar las predicciones de las ecuaciones de campo de Einstein en el entorno más extremo posible. En el pasado, se han realizado pruebas limitadas observando el comportamiento de S2, una de las estrellas que orbitan Sagitario A * en el centro de nuestra galaxia.

Pero con la capacidad de visualizar el disco de acreción y la sombra de Sagitario A *, los astrónomos esperan poder aprender mucho más. Los científicos también esperan aprender más sobre cómo la materia forma discos alrededor de los agujeros negros y se acumula en ellos, que es lo que les permite crecer.

En resumen, los científicos aún no están seguros de cómo el material hace la transición del disco que gira rápidamente al horizonte de eventos. Si bien se entiende que con el tiempo, la materia en el disco perderá energía y eventualmente caerá, los científicos no están seguros de qué causa esta pérdida de energía.

Debido a que la materia en un disco está tan diluida, la fricción tradicional no debería ser posible, lo que sugiere que alguna fuerza desconocida podría estar en juego. Con la capacidad de estudiar dos SMBH y sus horizontes de eventos, los científicos finalmente podrán probar diferentes teorías.

Además, los científicos esperan saber por qué Sagittarius A * es relativamente tenue en comparación con las SMBH de otras galaxias. De hecho, algunos SMBH generan tanta energía a partir de sus discos que giran rápidamente que su región central (sus núcleos galácticos) eclipsan muchas veces a las estrellas en sus discos galácticos.

De hecho, la presencia de un núcleo galáctico activo (AGN) es la forma en que los astrónomos han podido determinar que la mayoría de las galaxias tienen un SMBH en su centro. Al mejorar su comprensión de los mecanismos que alimentan los discos de desechos y hacen que las SMBH crezcan, los astrónomos esperan poder responder esta pregunta por fin.

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En total, aproximadamente 200 astrónomos de todo el mundo jugaron un papel vital en la captura de la primera imagen de un agujero negro. Bouman describió al equipo EHT como un "crisol de astrónomos, físicos, matemáticos e ingenieros, y eso es lo que se necesitaba para lograr algo que antes se creía imposible".

Con la adición de instalaciones adicionales a la red EHT, sin mencionar las mejoras regulares en términos de computación, imágenes e intercambio de información, los científicos esperaban poder ver más agujeros negros pronto. ¡La percepción que esto permitirá en nuestro Universo seguramente será alucinante!

  • Telescopio Event Horizon
  • Ciencia de la NASA - Agujeros negros
  • The Harvard Gazette - Agujero negro revelado
  • NSF - Los astrónomos capturan la primera imagen de un agujero negro
  • The Astrophysical Journal - Resultados del primer telescopio Event Horizon M87
  • El Atlántico: el envío y la manipulación ocultos detrás de esa imagen de agujero negro
  • Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics -CfA desempeña un papel central en la captura de imágenes históricas de agujeros negros
  • Noticias del MIT: trabajando juntos como un "telescopio virtual", los observatorios de todo el mundo producen las primeras imágenes directas de un agujero negro


Ver el vídeo: Los Secretos de la Primera Imagen de un Agujero Negro feat. DotCSV (Julio 2022).


Comentarios:

  1. Teetonka

    Si te entiendo. Hay algo en esto y una excelente idea, lo apoyo.

  2. Jooseppi

    Lo siento, pero creo que estás cometiendo un error. Envíeme un correo electrónico a PM, hablaremos.

  3. Ayyub

    I apologise, I too would like to express the opinion.

  4. Mujind

    ¿Y otra variante es?

  5. Jorge

    directo a la meta



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