Todo lo que ha hecho falta para que la foto del agujero negro haya sido posible: un viaje de más de un siglo al corazón del universo

Ahora que hemos digerido el entusiasmo por haber conseguido "la fotografía imposible", esa primera imagen del horizonte de sucesos de un agujero negro, quizás sea un buen momento para repasar todo lo que hemos ha hecho falta para que se haya hecho realidad algo que hace poco más de una década solo podía calificarse de ciencia ficción. Aquí os dejamos un breve repaso por los pasos que hemos tenido que dar para conseguir la imagen más improbable del universo

¿Existen realmente los agujeros negros?

Esto es lo más básico, efectivamente. La idea de "astros oscuros" no es nueva. En 1783, el clérigo inglés John Michell escribió una carta a Henry Cavendish en la que le planteaba la posibilidad de que existiera una estrella tan grande que "toda luz emitida por ese cuerpo volvería hacia él por causa de su propia gravedad". Durante décadas (¡siglo y pico!), la afirmación pasó desapercibida.

El 22 de diciembre de 1915, mientras servía durante la Primera Guerra Mundial en el frente ruso, Karl Schwarzschild envió una carta a Albert Einstein con un modelo muy robusto que demostraba que la existencia de estos cuerpos invisibles era un corolario lógico de la Teoría de la Relatividad (algo que no entusiasmaba ni al propio Einstein). Schwarzschild murió poco después, pero la búsqueda acababa de empezar.

Durante más de un siglo, hemos teorizado sobre su existencia, modelado sus características, localizado zonas del espacio donde creíamos. También los hemos detectado, claro. No ha sido todo cuestión de fe. Hace décadas que los agujeros negros dejaron de ser excéntricas hipótesis teóricas para convertirse en fenómenos cosmológicos confirmados gracias a métodos indirectos. Cosas como su (nada sutil) fuerza gravitatoria nos permiten saber de su existencia con solo mirar el comportamiento de las estrellas que los rodean.

Diseñar un telescopio capaz de verlos

Pero, ¿estudiarlos con detalle? Eso era imposible. Técnicamente imposible, quiero decir. Para conseguir datos de objetos como estos, necesitamos antenas muy grandes. Y, claro, la manera más sencilla es construir una radioantena lo suficientemente grande. ¿Cómo de grande? Demasiado.

Como muchos os habréis dado cuenta, la imagen de M87 no se ha compuesto con longitudes de onda visibles, sino de radio. El motivo es sencillo: como pasa con la radio convencional, estas frecuencias pueden atravesar lo que se encuentren por delante ya sea polvo espacial u otro tipo de objetos; la luz visible no.

Ahí, las longitudes largas tienen ventajas fundamentales, pero también tienen serios problemas: el que más nos interesa es que son mucho menos nítidas. Si usáramos el mayor radiotelescopio actualmente operativo para captar una imagen de la Luna, ninguna fotografía resultante tendría (ni de cerca) la nitidez con la que la vemos a simple vista.

Y hablamos solo de la luna. Por seguir con el ejemplo, captar la imagen de un agujero negro como M87 desde la Tierra es algo parecido a tratar de fotografiar una naranja en la superficie de la Luna con un radiotelescopio. O sea,** necesitaríamos un radiotelescopio de unos 10.000 kilómetros de diámetro**. La Tierra tiene unos 13.000 kilómetros, la cosa está complicada.

El maravilloso mundo de la interferometría

Afortunadamente, tenemos otras formas de enfocar el problema: podemos usar diferentes antenas situadas en varios continentes para tratar de componer una imagen global. Eso es una técnica llamada interferometría y nos permite combinar los datos extraídos desde distintos receptores, telescopios o antenas de radio para componer, utilizando el principio de superposición, una imagen de mayor resolución.

Aquí surgen dos problemas interrelacionados. El primero es que los científicos del EHT no podían fotografiar el agujero negro que quisieran. Tenían que buscar uno que estuviera lo suficientemente lejos (y fuera los suficientemente grande) como para que se mantuviera estable al captar los datos. El mismo EHT ha obtenido datos de Sagitario A*, un agujero negro que por estar en el centro de la Via Láctea está mucho más cerca de nosotros, pero los movimientos locales de la galaxia “desenfocan” la foto impidiendo conseguir una imagen tan nítida.

El segundo problema es que no bastaba con que estuviera lejos, tenía que encajar con el tamaño exacto del EHT: es decir con la superficie de la Tierra que podemos cubrir con los 8 radiotelescopios situados en 6 lugares diferentes que estaban disponibles los días de la gran foto (5, 6, 10 y 11 de abril de 2017). Estamos, por tanto, en el límite de la nitidez posible por ahora. Solo sacando los radiotelescopios al espacio (instalando uno en la Luna, por ejemplo) podríamos mejorar las imágenes que tenemos ahora mismo.

Encontrar las piezas...

Luego venía la parte compleja: había que componer la imagen a partir de los datos de los radiotelescopios. Datos incompletos, por cierto. Incluso aunque hubiéramos tenido el doble de telescopios, los datos hubieran tenido huecos huecos importantes. Por eso, buena parte del trabajo de los investigadores ha sido ver cómo rellenaban los huecos.

Katie Bouman, una de las protagonistas del descubrimiento, se dedicó precisamente a esto, a rellenar los huecos que había en los cinco petabytes de información que se usaron para componer la imagen. Por ejemplo, fue decisión suya pasar de una interferometría basada en pares de radiotelescopios a una banda en tríos.

Como explicábamos antes, la interferometría permite descomponer un problema complejo en carios subproblemas. Las técnicas habituales utilizan pares de radiotelescopios para ir refinando los datos. La idea de empezar a usar tríos fue muy meditada. Los tríos conllevan una pérdida importante de información (motivo por lo que no se hace normalmente), pero en este caso esa pérdida se ve compensada por el aumento de precisión (y la supresión del ruido atmosférico).

...montar el puzzle

El EHT produjo, aproximadamente, 250 PB de información en apenas una semana. De ellos, se extrajeron cinco para componer la imagen. Pero aún no acaba ahí el reto porque al reto de transferir, procesar y estudiar los datos se sumaba otro más. Con toda esa información, no se podía obtener una fotografía, se podía obtener todas las que se quisieran. Cinco petabytes de piezas que se podían ordenar de las más diversas formas distintas.

Eso no significa que que todas las imágenes fueran igual de probables. Evidentemente no sabíamos qué pinta tenía un agujero negro, pero sí sabemos muchas cosas sobre la naturaleza del Espacio-Tiempo y sobre cómo se suponía que debía ser. Para encontrar la fotografía clave el equipo del EHT utilizó un algoritmo de aprendizaje automático para identificar patrones visuales y refinar aún más las reconstrucciones de la imagen de su algoritmo.

El resultado es el que tenemos encima de la mesa: la primera imagen de un agujero negro. Gracias a ella (y al resto de datos), podremos estudiar con detalle qué ocurre en entornos de gravedad extrema. Pero eso es el futuro: si algo demuestran estos descubrimientos es cómo una idea puede atravesar las décadas, puede concitar a cientos de personas y puede hacernos conocer lo que está más allá. Es una historia de ciencia, sí; pero sobre todo es una historia de esperanza en el ser humano.