Radiotelescopio de Kitt Peak se une a la red del gran Telescopio Event Horizon

Entre las numerosas cúpulas y edificios del Observatorio Nacional Kitt Peak, en Arizona, existe un par de antenas parabólicas. Aparte de sus evidentes diferencias de diseño y aspecto, estas dos antenas tienen una increíble capacidad que no tienen otros telescopios de Kitt Peak: no funcionan solas. Con la ayuda de relojes atómicos y procesamientos especiales, también pueden formar parte de telescopios mucho mayores gracias a una técnica de observación conocida como interferometría de muy larga base (VLBI por sus siglas en inglés). Uno de los dos telescopios, el Very Long Baseline Array Dish, forma parte del Very Long Baseline Array que se extiende desde Hawai‘i en el oeste hasta la isla caribeña de Santa Cruz en el este.

La otra antena es el Telescopio de 12 metros de la Universidad de Arizona que, durante su operación normal, estudia el cielo por sí solo. Sin embargo, cuando se le solicita, puede conectarse con otros telescopios de todo el mundo para convertirse en una de las últimas adiciones al Telescopio Event Horizon (EHT, por sus siglas en inglés).

Al filo de lo desconocido

El consorcio del EHT acaparó los titulares en 2019 cuando compartió la primera imagen de un agujero negro en el centro de la enorme galaxia elíptica Messier 87. Contemplar el corazón de Messier 87 evoca tanto una sensación de asombro como un profundo sentimiento de misterio: ¿cómo se logra exactamente una imagen de algo tan complejo como un agujero negro?

“El EHT superó esas limitaciones, abriendo una nueva ventana para estudiar estos enigmáticos agujeros ultradensos, a través de sus horizontes de eventos.”

En el caso del EHT, este esfuerzo aparentemente imposible se logró gracias a una amplia red de observatorios conectados entre sí para formar un único telescopio virtual. Para entender mejor cómo se logró esta hazaña, primero tenemos que sumergirnos en la alucinante física de un agujero negro.

Los oscuros corazones de las galaxias

Los agujeros negros son muy variados. La inmensa mayoría son agujeros negros de masa estelar, que resultan del colapso de una estrella de al menos veinte veces la masa de nuestro Sol. Cuando la estrella se apaga con un ¡buuum! durante una supernova, la densidad de su núcleo colapsante crea un pozo gravitatorio tan grande que nada puede escapar de él, ni siquiera la luz. Y la frontera que marca el punto sin retorno que se forma a continuación se denomina horizonte de eventos.

En el otro extremo de la escala se encuentran los agujeros negros supermasivos, que pueden ser miles de millones de veces más masivos que nuestro Sol. Residen en el centro de las galaxias, como el agujero negro del centro de la Vía Láctea conocido como Sagitario A* (o Sgr A*, con el asterisco pronunciado como “estrella”). La extensión de sus horizontes de eventos es proporcional a su masa, de modo que mientras que el de un agujero negro de masa estelar sería minúsculo en tamaño comparativo, el horizonte de eventos de uno como Sgr A* tendría entre unos 12-24 millones de kilómetros de diámetro. En el caso de un agujero negro supermasivo aún mayor, como el de Messier 87, estos pueden llegar a ser 3.000 veces más grandes que el agujero negro del centro de la Vía Láctea.

Comparación del tamaño de los agujeros negros supermasivos Messier 87* y Sgr A*, donde Messier 87* es 1.500 veces más masivo que Sgr A*.

Credit: Fundación Nacional de Ciencias de EE.UU/Keyi 'Onyx' Li; Lia Medeiros, Institute for Advanced Study

La extraordinaria influencia de los agujeros negros supermasivos en las galaxias que los albergan es lo que los convierte en el principal objeto de estudio. Antes de las observaciones del EHT, los agujeros negros sólo podían observarse indirectamente, ya sea por el movimiento de objetos cercanos –como las estrellas que orbitan el centro de la Vía Láctea– o por la energía liberada cuando se alimentan de la materia que les llega. El EHT superó esas limitaciones, abriendo una nueva ventana para estudiar estos enigmáticos agujeros ultradensos, a través de sus horizontes de eventos. Gracias a una técnica especial denominada interferometría de muy larga base (VLBI), es posible detectar agujeros negros supermasivos incluso a gran distancia de la Tierra.

VLBI y el Telescopio Event Horizon

La VLBI funciona combinando las señales recibidas desde un conjunto de radiotelescopios separados por una distancia de tan sólo unas decenas de metros o miles de kilómetros. Esta red de telescopios puede funcionar como un único telescopio virtual del tamaño de la distancia máxima entre las antenas. Cuanto mayor sea la distancia entre las antenas, mayor será el telescopio virtual y mayor su resolución óptica.

Esta técnica fue utilizada por la colaboración del Telescopio Event Horizon, fundado en 2009. Su objetivo es aprovechar una red interconectada de telescopios con la resolución necesaria para obtener imágenes del horizonte de eventos de un agujero negro supermasivo. Lo que diferencia al EHT de otros sistemas de radiotelescopios es su enorme escala geográfica y su capacidad de observación a longitudes de onda relativamente cortas.

La red de telescopios internacionales que formaban el Telescopio Event Horizon en 2019.

Credit: D. Marrone/UofA

Cuanto más corta es la longitud de onda, mayor es la resolución. Sin embargo, las longitudes de onda más cortas plantean desafíos técnicos y requieren excelentes condiciones de observación en todos los elementos del telescopio de forma simultánea. De existir condiciones desfavorables en cualquiera de los lugares, esto podría afectar negativamente a las observaciones. Sin embargo, cuando las condiciones son las adecuadas, el EHT –observando en longitudes de onda de radio de 1,3 milímetros– tiene un poder de resolución equivalente al de ver la fecha de una moneda de 25 centavos en Los Ángeles, observando desde Nueva York. Este fue el impresionante nivel de precisión necesario para captar la imagen del agujero negro en el centro de Messier 87.

Sin embargo, incluso con su gran conjunto de capacidades, el EHT posee los mismos problemas inherentes a todos los interferómetros: cobertura espacial y sensibilidad. Cuando los astrónomos dicen que el EHT es un telescopio virtual del tamaño de la Tierra, la verdad es mucho más que eso. El sistema obtiene su capacidad de resolución de la separación extrema de sus partes individuales; pero con esta separación aparecen lagunas en los datos. Además, la sensibilidad del telescopio es el resultado de su área total de recolección y, a pesar de su enorme alcance geográfico, las antenas individuales del EHT no ocupan mucho espacio.

“La VLBI es muy peculiar: Tomas datos y los grabas, pero no tienes forma de saber si los datos son buenos hasta meses después”, afirma Dan Marrone, radioastrónomo de la Universidad de Arizona.”

Otro desafío consiste en reunir todos los datos. Las grandes distancias y la enorme cantidad de información recopilada hacen inviable la transferencia normal de datos a través de Internet. Los datos tienen que registrarse en los distintos sitios y, luego, enviarse a una ubicación central donde potentes computadores se encargan de fusionarlos.

“La VLBI es muy peculiar: Tomas datos y los grabas, pero no tienes forma de saber si los datos son buenos hasta meses después, cuando los analizas con los de algún otro telescopio y notas si viste llegar las mismas [ondas de radio]... ¡Hay un millón de formas en las que podrías meter la pata!”, explica Dan Marrone, radioastrónomo de la Universidad de Arizona y miembro del consejo científico del EHT.

En el caso de los interferómetros, como el Very Large Array (VLA) de Nuevo México y el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) de Chile, es posible superar en cierta medida este problema observando durante períodos de tiempo más largos: de horas, a incluso días, en total. A medida que la Tierra gira, partes del sistema giran también y van rellenando lentamente esos vacíos, como un espirógrafo (Spirograph™) que reproduce más y más de una imagen cuanto más tiempo dejas que el lápiz gire en sus engranajes. El EHT, sin embargo, no dispone de ese lujo de tiempo.

Para aliviar este problema, la EHT siempre está en busca de ampliar su red. Y una adición importante a su red es el Telescopio de 12 metros de la Universidad de Arizona (UArizona), en el Observatorio Nacional Kitt Peak.

Telescopio de 12 metros de la UArizona

En 2013, la Universidad de Arizona recibió un telescopio de 12 metros de longitud de onda milimétrica, que fue creado originalmente como una de las antenas prototipo para ALMA que se sometieron a pruebas en el sitio del VLA. Una vez aprobados los prototipos, se pusieron a disposición de la investigación independiente como telescopios autónomos. Éste fue a parar al Observatorio Nacional Kitt Peak, en Arizona, como un telescopio inquilino (tenant) operado de forma independiente.

Interior del Telescopio de 12 metros de la UArizona, en el Observatorio Nacional Kitt Peak (Arizona).

Credit: KPNO/NOIRLab/NSF/AURA/T. Slovinský

Sin embargo, para que funcionara correctamente en Kitt Peak, fue necesario añadir cambios. Se construyeron cimientos más sólidos para apuntar con mayor precisión, se diseñó un nuevo sistema receptor para adaptarse mejor a las capacidades de la antena y se instalaron nuevos equipos para VLBI, incluyendo un reloj atómico. A pesar de tomar varios años adicionales para completarse, la renovación de la antena de ALMA demostraría ser integral en la asociación del telescopio con el EHT.

“Contar con el Telescopio de 12 metros de la UArizona es esencial para unir las piezas del rompecabezas que le faltaban al EHT.”

El Telescopio de 12 metros de la UArizona comenzó sus pruebas con el EHT a principios de 2021, después de haber sido retrasado por la pandemia en 2020. Para probar adecuadamente el telescopio, Marrone y su equipo lo apuntaron a uno de los objetos de radio más brillantes del cielo, un cuásar llamado 3C 84. Las pruebas fueron un éxito y, el 9 de abril de 2021, el Telescopio de 12 metros de la UArizona pasó a ser oficialmente parte del EHT, y al lograr un buen rendimiento durante la temporada de observación del EHT en 2022, continuará recopilando datos durante los próximos años.

Explorando el futuro con el EHT

Incluso con los últimos elementos añadidos, las observaciones con el EHT y con interferómetros de configuración similar siguen siendo insuficientes para una cobertura total. En esencia, el total no es necesariamente la suma de sus partes, y las lagunas en las áreas cubiertas significan que las imágenes podrían no ser tan nítidas como los astrónomos desearían. Recientemente se aplicó una nueva técnica de aprendizaje automático (machine-learning) a los datos originales de las observaciones de Messier 87 realizadas por el EHT. El resultado es una imagen más nítida que puede ayudar a los astrónomos a comprender mejor las propiedades de un horizonte de eventos. Para más información, lea este reciente comunicado de prensa.

Todavía hay una gigantesca cantidad de información que desconocemos sobre los agujeros negros, pero con la adición de una nueva antena parabólica de radio en el Observatorio Nacional Kitt Peak, nuestra perspectiva del Universo se ha aclarado (literalmente). Cada nueva adición al EHT es un aporte para esta misión.

La ventaja de la colaboración de Kitt Peak es que se encuentra relativamente cerca a otros telescopios del EHT: el Telescopio Submilimétrico en Mount Graham, Arizona; y el Gran Telescopio Milimétrico en Sierra Negra, México. Contar con el Telescopio de 12 metros de la UArizona es esencial para unir las piezas del rompecabezas que le faltaban al EHT, incluyendo las emisiones de jets de un agujero negro que son demasiado grandes para ser captadas por el sistema anterior. Además, la mayor nitidez del EHT anima a los científicos no sólo a buscar nuevos agujeros negros, sino también a volver a estudiar los ya observados.

Sgr A* observado utilizando datos de rayos X de CHANDRA, la luz infrarroja del Telescopio Espacial Hubble de la NASA y las ondas de radio con el EHT.

Credit: X-ray: NASA/CXC/SAO; IR: NASA/HST/STScI. Inset: Radio (Colaboración con EHT)

Tras haber estudiado Sgr A* durante más de 20 años, Marrone explica que el agujero negro supermasivo situado en el centro de la Vía Láctea presenta un “parpadeo” percibido que confunde a muchos radioastrónomos. Este cambio de brillo se produce tan rápidamente que algunos especulan que debe estar ocurriendo cerca del horizonte de eventos. Con más telescopios añadidos a la lista del EHT se podrán obtener observaciones más precisas de cualquier movimiento aparente alrededor del agujero negro, ya que la capacidad de obtención de imágenes depende del número de pares de telescopios que operen a la vez. Cada par introduce nueva información sobre el objeto con mucha más claridad por cada telescopio añadido.

“Necesitamos al menos cinco observatorios en distintos lugares observando al mismo tiempo para obtener una imagen. Añadir a Kitt Peak al sistema significa que obtenemos tiempo de observación adicional cada noche, lo que significa que podemos ver cómo Sgr A* cambia a medida que los objetos rodean el agujero negro”, señala Marrone.

Los científicos aún tienen que comprender mejor el mecanismo detrás de las emisiones de jets de un agujero negro, cómo cambian con el tiempo, entre muchas otras características fascinantes; pero si captamos la imagen completa, podríamos obtener una perspectiva inesperada mucho más profunda de lo que podríamos imaginar. Disponer de todo el contexto es indispensable cuando nos enfrentamos a un fenómeno tan complejo como un agujero negro, y tener al Telescopio de 12 metros de la UArizona en el Observatorio Nacional Kitt Peak como parte del equipo, sin duda acerca a la comunidad astronómica un paso más a su entendimiento.