La Universitat de València ha participat en un treball internacional que suposa un canvi de paradigma en les observacions d’un forat negre supermassiu situat en el centre de la galàxia Messier 87. Rebecca Azulay, de la Universitat de València, és una de les participants en la investigació.

El Telescopi Horitzó de Successos (EHT per les seues sigles en anglés), un telescopi d’escala planetària, constituït per huit radiotelescopis i forjat gràcies a una col·laboració internacional, va ser dissenyat amb l’objectiu de capturar les primeres imatges de forats negres. En una sèrie de conferències de premsa internacionals simultànies celebrades dimecres 10 d’abril per tot el planeta, investigadors de l’EHT han revelat que han tingut èxit i han mostrat la primera evidència visual directa d’un forat negre supermassiu i de la seua ombra.

Aquesta fita científica apareix anunciada en una sèrie de sis articles científics publicats en una edició especial de la revista Astrophysical Journal Letters. La imatge mostra el forat negre al centre de Messier 87 (M87) (1) Una galàxia massiva situada en el pròxim cúmul de galàxies Virgo. Aquest forat negre es troba a 55 milions d’anys llum de la Terra i és 6.500 milions de vegades més massiu que el Sol (2).

L’EHT connecta els senyals dels radiotelescopis, repartits per tot el planeta, per a formar un telescopi virtual de la grandària de la Terra amb una sensibilitat i resolució sense precedents (3). L’EHT és el resultat d’anys de col·laboració internacional i ofereix als científics una nova forma d’estudiar els objectes més extrems de l’Univers predits per la relativitat general d’Einstein, un segle després de l’històric experiment que va confirmar aquesta teoria per primera vegada (4).

“Hem pres la primera imatge d’un forat negre”, ha dit el director de l’EHT, Sheperd S. Doeleman, del Center for Astrophysics Harvard & Smithsonian (els Estats Units). “Es tracta d’una fita històrica en astronomia obtingut per un equip de més de 200 investigadors”, ha afegit.

Els forats negres són objectes còsmics extraordinaris, d’una enorme massa però extremadament compactes. La presència d’aquests objectes afecta al seu entorn de forma extrema, corbant l’espai-temps i sobreescalfant qualsevol material confrontant.

“Quan es troba immers en una regió brillant, com un disc de gas incandescent, esperem que un forat negre genere una regió fosca similar a la d’una ombra, una cosa ja predita per la relativitat general d’Einstein que mai havíem vist fins ara”, ha explicat el director del consell científic de l’EHT, Heino Falcke, de la Universitat de Radboud (Països Baixos).

“Aquesta ombra, causada per la curvatura gravitacional i l’absorció de llum per l’horitzó de successos, revela molt sobre la naturalesa d’aquests fascinants objectes i ens ha permés mesurar la colossal massa del forat negre de M87”, ha explicat.

Múltiples observacions independents de l’EHT, analitzades cadascuna amb diferents mètodes de reconstrucció d’imatges, han revelat una estructura en forma d’anell amb una regió fosca central: l’ombra del forat negre.

“Una vegada segurs que havíem captat l’ombra, vam poder comparar les nostres observacions amb una àmplia sèrie de simulacions per ordinador que inclouen la física de l’espai corb, la matèria sobreescalfada i els potents camps magnètics al voltant del forat negre. Moltes d’aquestes característiques de la imatge observada concorden sorprenentment bé amb les nostres prediccions teòriques”. “Això reafirma la nostra interpretació teòrica de les observacions, inclosa l’estimació de la massa del forat negre”.

La creació de l’EHT ha suposat un repte formidable, que va requerir modernitzar i connectar una xarxa mundial de huit telescopis ja existents situats en zones remotes a una gran altitud. Aquestes localitzacions inclouen volcans a Hawaii (els Estats Units) i Mèxic, muntanyes a Arizona (els Estats Units) i Sierra Nevada (Espanya), el desert xilé d’Atacama i l’Antàrtida.

Les observacions de l’EHT empren una tècnica denominada interferometria de molt llarga base (VLBI per les seues sigles en anglés), la qual sincronitza telescopis per tot el món i aprofita la rotació de la Terra per a formar un gegantesc telescopi virtual de la grandària del nostre planeta. Observant a una longitud d’ona de 1,3 mil·límetres i gràcies a la tècnica VLBI, l’EHT aconsegueix una resolució angular de només 20 microsegons d’arc, suficient per a poder llegir un periòdic a Nova York des d’una cafeteria a París (6).

Els telescopis que s’han emprat per a l’obtenció d’aquests resultats són: Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), Atacama Pathfinder Experiment (APEX), tots dos a Xile; el telescopi IRAM 30 metres en Sierra Nevada (Espanya); el James Clerk Maxwell Telescope, a Hawaii (els Estats Units); el Gran Telescopio Milimétrico Alfonso Serrano (Mèxic), el Submillimeter Array (Hawaii), el Submillimeter Telescope, a Arizona (els Estats Units), i el South Pole Telescope, a l’Antàrtida (7).

La posada en marxa de l’EHT i les observacions que s’han anunciat hui suposen la culminació de dècades de treball observacional, tècnic i teòric. Aquest exemple de treball en equip global ha requerit una estreta col·laboració d’investigadors de tot el món. Tretze institucions associades han treballat per a crear l’EHT, emprant infraestructures ja existents i finançament extra obtingut d’una gran varietat d’agències, entre les quals es troben la US National Science Foundation (NSF), l’European Research Council (ERC) i agències financeres d’Àsia. 

Astrònoms valencians

Diversos astrònoms valencians han participat en aquesta fita científica. D’una banda, Rebecca Azulay, investigadora postdoctoral finançada per la Generalitat Valenciana a través de la convocatòria APOSTD, i que treballa actualment en el Departament d’Astronomia i Astrofísica i en l’Observatori Astronòmic de la Universitat de València, ha participat en les observacions des del telescopi IRAM 30 metres situat en Sierra Nevada (Granada). Azulay, a més, ha format part de l’equip de treball encarregat de configurar l’equipament tècnic d’aquesta antena.

D’altra banda, Iván Martí-Vidal, de l’Institut Geogràfic Nacional (IGN), va dissenyar els algorismes que van permetre combinar les dades d’ALMA (l’element més sensible de l’EHT) amb la resta de radiotelescopis; és a més coordinador del grup de polarimetria (el principal objectiu del qual és estudiar el paper dels camps magnètics en les proximitats del forat negre). Martí-Vidal és també l’investigador principal del projecte ‘Generació Talent’ (GenT) d’excel·lència investigadora, subvencionat per la Generalitat Valenciana, que iniciarà al juny d’enguany en l'Observatori Astronòmic de la Universitat de València.

"Hem utilitzat instrumentació d’última generació en el telescopi IRAM 30 metres. D’aquesta manera, hem pogut registrar una gran quantitat de dades que han resultat crucials per a la reconstrucció de l’ombra del forat negre de M87”, explica Azulay.

“Aquesta no és sol la primera imatge d’un forat negre, sinó també un primer fotograma; el primer fotograma d’una gran pel·lícula que està per rodar”, afirma Iván Martí-Vidal. “L’EHT continuarà observant aquest i altres forats negres. A poc a poc, observarem i aprendrem com es comporta la matèria en aquestes regions tan extremes de l'existència”, puntualitza l’astrònom.

“Hem aconseguit alguna cosa que semblava simplement impossible fa tan sols una generació”, ha conclòs Doeleman. “Els avanços tecnològics, la connexió entre els millors ràdio telescopis del món, i el desenvolupament de nous algorismes ens han permés obrir una finestra completament nova per a l’estudi dels forats negres i l’horitzó de successos”. 

Notes

[1] L’ombra d’un forat negre és el més pròxim al que podem arribar d’obtindre una imatge d’un forat negre en si, un objecte completament fosc del qual ni tan sols la llum pot escapar. La vora del forat negre –l’horitzó de successos del qual l’EHT pren el seu nom– és unes 2,5 vegades menor que l’ombra que projecta i té una grandària una mica menor de 40.000 milions de quilòmetres.

[2] Els forats negres són objectes relativament xicotets, la qual cosa ha fet que siga impossible observar-los fins ara. Com la grandària d’un forat negre és proporcional a la seua massa, com més massiu és el forat negre, més gran és la seua ombra. Gràcies a la seua gegantesca massa i relativa proximitat, es va estimar que el forat negre en Messier 87 (M87) és un dels més grans que podem observar des de la Terra, convertint-ho en un objectiu perfecte per a l’EHT.

[3] Encara que els telescopis no estan físicament connectats, és possible sincronitzar el senyal gravat usant rellotges atòmics (maser d’hidrogen) que, de manera precisa, etiqueten amb una marca temporal les dades obtingudes. Aquestes observacions es van realitzar a una longitud d’ona de 1,3 mil·límetres durant la campanya observacional de l’EHT en 2017. Cada telescopi de l’EHT produeix una enorme quantitat de dades –uns 350 terabytes per dia- gravada en discos durs d’alt rendiment farcits d'heli. Les dades són posteriorment enviats a superordinadors especialitzats –coneguts com correladors– en el Max Planck Instute for Radi Astronomy i MIT Haystack Observatory, que els combinen per a finalment obtindre una imatge.

[4] Fa 100 anys, dues expedicions van partir de l’illa de Príncep, enfront de la costa africana, i de Sobra, al Brasil, per a observar l’eclipsi solar de 1919. L’objectiu era posar a prova per primera vegada la teoria de la relativitat general mesurant si la llum de les estreles es desviava en passar pels voltants solars, tal com va predir Einstein. Emulant aquestes observacions, membres de l’equip de l’EHT han visitat algunes de les instal·lacions radioastronòmiques més remotes per a de nou posar a prova el nostre enteniment de la gravetat.

[5] L’East Asian Observatory (EAO) és un soci de l’EHT que representa la participació de diverses regions asiàtiques, incloses Xina, el Japó, Corea, Taiwan, Vietnam, Tailàndia, Malàisia, l’Índia i Indonèsia.

[6] Futures observacions de l’EHT comptaran amb un augment significatiu de la sensibilitat gràcies a la participació de’IRAM NOEMA Observatory, Greenland Telescope i Kitt Peak Telescope.

[7] ALMA és un consorci format per l’European Southern Observatory (ESO; Europa, representant els estats membres), l’O. S. National Science Foundation (NSF), i els National Institutes of Natural Science (NINS) del Japó, juntament amb el National Research Council (Canada), el Ministry of Science and Technology (MOST; Taiwan), Acadèmia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics (ASIAA; Taiwan), i Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI; República de Corea), en cooperació amb la Republica de Xile. APEX està operat per això, el telescopi IRAM 30-metres està operat per IRAM (les organitzacions sòcies d’IRAM són MPG, Alemanya; CNRS, França; i l’IGN, Espanya), el James Clerk Maxwell Telescope està operat peer l’EAO, el Gran Telescopio Milimétrico Alfonso Serrano està operat per INAOE i el Submillimeter Array està operat per SAO i ASIAA i el Submillimeter Telescope està operat per l’Arizona Radi Observatory (ARO). El South Pole Telescope està operat per la University of Chicago amb instrumentació especialitzada proporcionada per la University of Arizona.