La persistencia de la sombra

El Event Horizon Telescope nos mostró hace 5 años su primer resultado: el agujero negro que ocupa el centro de la galaxia gigante M87. Al año siguiente volvió a observarlo, y la resolución es ligeramente mejor, ya que se incorporó al sistema un radiotelescopio en Groenlandia, así como más frecuencias de radio en la observación. Recién ahora se dio a conocer el resutado, que es similar y distinto a la vez:

Recordemos que lo que muestran estas imágenes no es el agujero negro en sí mismo, sino la silueta que produce la distorsión de la luz (ondas de radio, que no deja de ser luz) que se produce a su alrededor, en un disco de materia supercaliente que lo orbita. Esta distorsión es incluso mayor que el más familar efecto de lente gravitacional, que afecta la imagen de las galaxias que vemos detrás de otras galaxias. La presencia del agujero negro, con su intensa gravedad, retuerce muchos de esos rayos de luz (algunos incluso llegan a dar varias vueltas) dejando en el medio una silueta oscura, una "sombra", la del título de esta nota y del paper recién publicado. 

La nueva imagen es similar a la tomada un año antes: misma forma de anillo asimétrico, mismo tamaño, misma relación de contraste entre la parte oscura y la brillante. Estas magnitudes son una propiedad del objeto observado (calculables con la Relatividad General), y su persistencia apunta a que el EHT está funcionando bien. Por otro lado, en la imagen de 2017 la luz es más intensa hacia el sur (abajo) del anillo, mientras que en la de 2018 el punto brillante parece haber girado unos 30 grados en sentido antihorario. En 2021 ya habían publicado un resultado de menor calidad (que comentamos aquí), usando imágenes de prueba tomadas antes de 2017, que mostraban que la asimetría parecía estar girando en este mismo sentido. En el paper actual comentan muy brevemente aquel resultado, y anticipan que un trabajo posterior va a discutir lo que significa desde el punto de vista del movimiento de la materia en el disco brillante. 

Voy a aprovechar para mostrar otra imagen del EHT que me sorprendió hace algún tiempo, y que me había quedado traspapelada. Ya sabemos que los agujeros negros de M87 y de la Vía Láctea son los que, en nuestro cielo, aparecen más grandes. Por ahora son los únicos que podemos ver con el EHT. ¡Pero no es lo único que se puede observar! La galaxia Centaurus A tiene un agujero negro muy activo, como M87, que produce grandes chorros de materia y energía, que son más grandes que la galaxia misma:

El chorro es la fina estructura rosada (en radio) superpuesta a esta imagen de luz visible. El EHT ha hecho una observación extraordinaria de la estructura central del chorro, donde surge del disco de materia alrededor del agujero negro:

¡Tiene cuatro patas! Por un momento pareciera que fuesen cuatro chorros. Pero no: son dos, uno hacia cada polo del disco de materia supercaliente donde se forma y se organiza, por acción de los campos magnéticos producidos tanto por el agujero negro como por el mismo plasma en órbita. Lo que muestra esta imagen es que en realidad el chorro es hueco, como si fuera un cono finito y medio transparente. En una imagen del chorro alrededor de M87, hecha con el también enorme VLBA, se ve algo similar (cuadro de la derecha, lo muestran rotado):

El EHT es el telescopio más grande del mundo. De hecho, es tan grande como el mundo. No hay dudas de que recién estamos viendo sus primeros pasos, y que la inevitable mejora de las técnicas en los próximos años van a permitir proezas de observación. 

 

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The Event Horizon Telescope Collaboration, The persistent shadow of the supermassive black hole of M 87 - I. Observations, calibration, imaging, and analysis, A&A, 681:A79 (2024). La imagen publicada en 2019 fue hecha con las observaciones de 2017. La publicada ahora corresponde a las observaciones de 2018. ¡El procesamiento de imágenes del EHT es más lento que el mío!

Janssen et al., Event Horizon Telescope observations of the jet launching and collimation in Centaurus A, Nature Astronomy 5:1017–1028 (2021).

El pulso del cangrejo

El telescopio Webb publicó hace poco una imagen extraordinaria de la Nebulosa del Cangrejo, un resto de supernova que puede verse sin dificultad en la constelación de Tauro, ideal para el verano austral, agéndenla. Aunque uno no supiera nada de las explosiones de supernova, se haría una idea con este zafarrancho de 5 años luz de diámetro:

Como todas las del Webb, la imagen está hecha a partir de la radiación infrarroja, que destaca principalmente el polvo (silicatos y compuestos de carbono) que forman la compleja estructura de filamentos. Llenando el espacio entre ellos se ve una niebla blancoazulada, resultado de la radiación de sincrotrón, que emiten electrones libres girando como locos en el campo magnético de la nebulosa.

Este campo se origina en el objeto central, una estrella de neutrones, que es lo que queda del núcleo de la estrella que explotó. Un recorte de la imagen de máxima resolución, la muestra en medio de un vórtice de radiación:

Los arcos concéntricos que se pueden ver en esta tenue niebla se deben a que la estrella de neutrones no está quieta, sino que pulsa: es un púlsar. Así de inocente como se ve, vale la pena cerrar los ojos, contener la respiración y tratar de imaginárselo: tiene la masa del Sol, comprimida al tamaño de una montaña, y gira a la velocidad de una licuadora. 

Pueden volver a respirar. 

Las estrellas de neutrones son increíbles. Durante el colapso del núcleo de la estrella que le da origen, los electrones de los átomos se meten dentro de los núcleos, combinándose con los protones para formar neutrones y una cantidad descomunal de neutrinos, que en su paroxismo explosivo (nada detiene un neutrino) desgarran todas las capas exteriores de la estrella, formando el caos filamentoso que vemos en la foto. El colapso sólo se detiene gracias a la degeneración de los neutrones, similar a lo que ocurre en las enanas blancas que ya hemos contado. Durante esta contracción tan extraordinaria, la rotación del núcleo se acelera muchísimo por la conservación del momento angular, como cuando una patinadora aprieta los brazos contra el cuerpo, pero en una escala millones de millones de veces mayor. Si el Sol, que mide un millón de kilómetros de diámetro y da una vuelta por mes, se achicara hasta medir 10 km de radio, acabaría girando a \((500000 \mbox{ km}/10\mbox{ km})^2\times 1\mbox{ vuelta}/(30 \mbox{ días} \times 86400 \mbox{ segundos/día}) = 965\) veces por segundo. Es lo que le pasa a las estrellas de neutrones. Si bien no son tan rápidas, esa es la magnitud de lo que ocurre; el púlsar más rápido que se conoce gira 716 veces por segundo. El del Cangrejo pulsa 30 veces por segundo. Una estrella girando como una minipimer, ponele.

Los púlsares fueron descubiertos aquí, en Cambridge, a un par de kilómetros de donde me encuentro escribiendo estas líneas. En la década de 1960 dos astrónomos del Laboratorio Cavendish, Martin Ryle y Antony Hewish, inventaron unas técnicas que les permitieron hacer radiotelescopios con resolución similar a la de los telescopios ópticos. Pero no se imaginen enormes parabólicas como las de la película Contact; sus antenas parecían campos para sembrar lúpulo: líneas de postes de madera con un tendido de alambres entre ellos. Finalmente hicieron uno enorme: el Four Acres Telescope (cuatro acres son unas dos hectáreas).

La mayor parte de la construcción y la puesta en funcionamiento estuvo a cargo de la chica irlandesa que vemos en la foto. Se llama Jocelyn Bell, y estaba haciendo su trabajo de doctorado con Hewish. En julio de 1967 terminó de construirlo, lo puso a andar, lo calibró y empezó a medir. A medir quasars, que para eso lo habían construido, y que eran la especialidad de Cambridge. Un día de verano registró algo raro, viniendo de un pedacito de cielo en la constelación de Vulpecula.

Pasaron meses, y el 28 de noviembre (esta semana se cumplen 56 años) la midió de nuevo. "The weather was very cold", dice en la página 222 de su tesis.

Cambiando la velocidad del registro (que se hacía con una lapicera sobre papel, en ese entonces) notó que era una señal repetitiva, un pulso cada 1.34 segundos, con enorme exactitud. 

Los radiotelescopios, por supuesto, son muy susceptibles a detectar señales espurias de origen artificial, porque muchos aparatos y máquinas producen ondas de radio. Pero rápidamente Bell pudo descartar un origen terrestre o astronáutico de su anomalía, ubicándola a por lo menos 200 años luz. Como parecía artificial, de manera preliminar la designó LGM-1, little green men one (en el registro dice CP 1919, por Cambridge Pulsar RA 19h 19', pero en la tesis cuenta lo de LGM). De todos modos en el trabajo que publicaron en seguida (salió en febrero de 1968), ya conjetura que seguramente se trata de una estrella de neutrones, y arriesga que está pulsando radialmente (hoy sabemos que están girando). Antes de fin de año había encontrado otra. Y el 7 de enero, primer día después de las vacaciones de invierno, encontró dos más. El sueño de cualquier estudiante de doctorado: descubrir un nuevo fenómeno de la naturaleza. Good for her.

En 1974 Hewish y Ryle recibieron el Premio Nobel en Física por el descubrimiento de los pulsars. Fue un escándalo. ¿Por qué no habían incluido a Bell? Fred Hoyle, respetadísimo y controversial astrofísico de Cambridge fue uno de los que más se indignaron. Empezaron a llamarlo "el premio No-Bell". Ella siempre dijo que fue porque era estudiante, no porque fuese mujer. Mmmmnosé.

De todos modos, Bell recibió muchísimos otros reconocimieentos, tanto académicos como del Estado. Y en 2018 le dieron el premio Breakthrough, de 3 millones de dólares, que donó integramente para fomentar la participación en la ciencia de las minorías menos representadas. ¡Bravo!

El ojo en el cielo

I am the eye in the sky, looking at you.
Alan Parsons

Todos lamentamos el desgraciado colapso del Radiotelescopio de Arecibo, antes de que pudieran desarmarlo de manera controlada. Así es como se ve hoy el enorme reflector en Google Maps:

El Telescopio de Arecibo fue, durante casi 60 años, un instrumento sobresaliente en varias disciplinas: la radioastronomía, la ciencia planetaria y la investigación de la atmósfera, y su pérdida dejó un vacío súbito, tanto en la ciencia como en el sistema cultural y educativo de Puerto Rico. Inmediatamente, muchos radioastrónomos empezaron a pensar qué hacer para reemplazarlo. Se ha publicado el primer estudio preliminar de un nuevo instrumento: el Next Generation Arecibo Telescope. La propuesta consiste en un sistema de 102 antenas de 13 m cada una, funcionando en conjunto, como el VLA, ALMA, MeerKAT, y tantos otros radiotelescopios modernos. A diferencia de estos (que se llaman phased arrays), sin embargo, el NGAT tendría todas sus antenas montadas sobre una única plataforma orientable (un compact phased array, al estilo del Pluton):

Alternativamente, podrían ser varias plataformas modulares, lo cual permitiría ir construyéndolo de manera incremental (como han hecho en Sudáfrica con el MeerKAT), además de ser estructuralmente más robusto:

El tamaño sería equivalente a un plato único de 130 m, bastante más chico que el de 300 m de diámetro del telescopio desaparecido. Pero con nueva tecnología, dicen los autores, en ese tamaño se tendría un instrumento competitivo para el costo. Uno de los gráficos del trabajo muestra la sensibilidad del diseño comparado con otros telescopios. Está medida en tiempo necesario por área barrida (con otras magnitudes mezcladas), así que es mejor cuánto más baja es la curva:

En la comparación aparecen la versión actual del VLA (el ngVLA), el Square Kilometer Array (SKA1, actualmente en construcción en Australia y en Sudáfrica), el Green Bank Telescope (GBT, el más grande plato completamente orientable, mide 100 m de diámetro) y el FAST, el radiotelescopio chino de 500 metros de diámetro que es actualmente el más grande del mundo:

¿Se hará? Quién sabe. Al día de hoy, esto no es siquiera un proyecto. Es sólo un estudio preliminar. Estas cosas llevan mucho tiempo, no se hacen de un año para el otro. Habrá que hacer más estudios preliminares y convencer a los colegas, conseguir plata, hacer un estudio detallado y convencer a las agencias, conseguir más plata, después hacer un diseño, conseguir más plata, construir un prototipo, más y más plata... construir el telescopio (que llevaría muchos años) y operarlo... (ojo, no es taaanta plata, comparada con otros grandes gastos de los estados, pero es limitada y todos quieren usarla). Recuerden lo que conté sobre la prehistoria del telescopio Hubble. Pero, si no se empieza, no se termina. Así que celebro este primer estudio. Ojalá se haga.

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El estudio es: Anish et al., The Next Generation Arecibo Telescope: A preliminary study, arXiv:2305.07780v1 (2023). Está basado en un trabajo mucho más largo: The future of the Arecibo Observatory: The Next Generation Arecibo Telescope (2021).

La imagen del concepto del NGAT la tomé de una charla de Francisco Córdova, el Director del Observatorio de Arecibo: The Arecibo Observatory: Legacy and Ideas for the Future.

La tangente de Carina

Desde el mismo sitio oscuro donde vi el rojo profundo de la Nebulosa de Orión, hice una foto de una de mis regiones favoritas del cielo: la Vía  Láctea entre los Punteros de la Cruz y Carina. Voy a aprovecharla para contar algo que hace rato tenía ganas. Pero primero la foto.

¡La cantidad de estrellas que hay aquí! (y la foto está drásticamente reducida para esta columna). Imaginen alrededor de cada una de ellas un sistema con planetas de roca, de hielo, de gas, con montañas, glaciares, mares, nubes y volcanes, con lunas y asteroides, anillos y cometas...

Pero me voy por la tangente. Otra tangente, porque precisamente quiero comentar sobre una tangente, como dice el título de la nota. Hay algo que se distingue en la foto, pero que incluso se aprecia mejor a simple vista (desde un sitio oscuro). En la foto vemos que la nube de estrellas de la Vía Láctea es más densa y ancha a la izquierda y que se vuelve progresivamente menos densa y angosta hacia la derecha. Y de golpe, en la región donde está la Nebulosa de Carina (roja en la foto, a simple vista no se ve el color), hay como un manchoncito de mayor densidad de estrellas y más allá (a la derecha) es como que la Vía Láctea desaparece ¿Qué pasó acá? ¿Se apagó la Vía Láctea?

Lo que pasa es interesante y sorprendente, y es una de las pocas pistas que nos ayudan a imaginar la galaxia como un objeto tridimensional. Cuando vemos la banda luminosa de la Vía Láctea en el cielo, estamos viendo los brazos espirales de costado, y todos superpuestos. Si nos la imaginamos desde arriba, la situación es más o menos así:

Este diagrama muestra los cuatro brazos "consensuales" de la Vía Láctea, originados en el bulbo central ocupado por la barra. El sistema solar (SUN) está en medio de dos de estos brazos. Desde el Sol están dibujadas unas líneas visuales en las direcciones tangentes a los brazos, tal como los vemos desde la Tierra. Los números son direcciones en coordenadas galácticas, que empiezan en 0 grados apuntando hacia el centro de la Vía Láctea, y aumentan en dirección contraria a las agujas del reloj. Fíjense la línea visual que apunta a 285°: es tangente al brazo (rosa) inmediatamente interior a la posición del Sol. Este brazo se llama Sagitario-Carina, y la dirección a 285° es justo pasando la Nebulosa de Carina:

A la izquierda de los 285° estamos viendo en dirección al brazo de Sagitario-Carina, que se va curvando y alejándose de nosotros. Justo a 285° miramos tangente al brazo, y por lo tanto vemos en esa dirección muchas más estrellas, porque nuestra visual atraviesa el brazo a lo largo de la tangente. Y a la derecha de 285° estamos viendo entre el brazo de Sagitario-Carina y el siguiente hacia afuera, el de Perseo. Por eso, en esa dirección, vemos menos estrellas. 

En la imagen marqué también la dirección de 310°. En el diagrama vemos que esa dirección es la tangente al brazo siguiente hacia el centro, llamado de Scutum-Crux. En este caso no vemos una transición similar. ¿Por qué? ¡Porque el brazo de Sagitario-Carina está por delante! Sin embargo, en observaciones de radio (que son las que mejor permiten delinear las estructuras de los brazos espirales) se ve esto:

Acá sí se ve que a la izquierda de 310° también hay una transición: hay más densidad de fuentes de radio porque estamos viendo dos brazos superpuestos (y tres más allá de los 325°, donde se agrega el brazo de Cygnus-Norma, ver nuevamente el diagrama de arriba). He aquí una foto mucho más anotada (de Bruce MacEvoy):

La verdad que es un lío tratar de descubrir estas estructuras viéndolas desde adentro. Si les muestro un mapa de los marcadores que se usan para trazar los brazos se pueden hacer una idea:

Si les superponemos los cuatro brazos espirales tiene más sentido:

Pero igual se puede ver que hay materia de todo tipo entre los brazos. Esto es así, no hay vuelta que darle. Incluso cuando vemos una galaxia lejana con una estructura parecida a la de la Vía Láctea vemos este caos espiralado:

En esta galaxia (NGC 1232, que hasta tiene una compañera parecida a nuestra Nube Mayor de Magallanes) vemos espirales de regiones de formación estelar y de nubes oscuras, un poco entrecruzándose, y vemos también espolones y pedacitos de brazos espirales que conectan los principales, parecidos a nuestro espolón de Orión. Si la ponemos en perspectiva podemos hacernos una idea de cómo veríamos la Vía Láctea si el sistema solar no estuviera tan justo en medio del disco:

 ¡La vista que nos perdemos!

 

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Mi foto es mía. La de NGC 1232 es de ESO/VLT. El resto de las ilustraciones son de un sitio excelente sobre la estructura de la Vía Láctea, obra de Bruce MacEvoy. Lo recomiendo.

El mapa de radio de regiones CO lo tomé de Damé et al., The Milky Way in molecular clouds: A new complete CO survey, The Astrophysical Journal 547:792-813 (2001).

Los brazos consensuales en los que se basan estos diagramas son los que describe Jacques Vallée en A guided map to the spiral arms in the galactic disk of the Milky Way, Astronomical Review, 13:113-146 (2017). Tengan presente que el consenso no es completo, y hay modelos de la VL con sólo dos brazos, por ejemplo.

La tangente que está a 285° se llama tangente de Carina. La Tangente de Sagitario es la que se encuentra hacia el otro lado del brazo. No es simétrica con respecto al centro galáctico porque el brazo es espiral, como se ve en el diagrama: está a 50° de longitud galáctica, y no vemos nada interesante hacia allí porque nos la tapa la nube oscura de Aquila. La parte más cercana del brazo de Sagitario-Carina está en la dirección de la Nebulosa de la Laguna.

La suricata en el centro de la Vía Láctea

¿Cómo, no había un agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia? Sí, sí. Esto es otra cosa. MeerKAT, o sea Suricata (como Timón, del Rey León), es el nombre de un nuevo sistema de radiotelescopios en Sudáfrica, 64 antenas de 13.5 metros cada una. Está produciendo observaciones de alta resolución en la banda centimétrica que son extraordinarias. Por ejemplo ésta, que muestra el caos que se vive en el centro galáctico:

La región súper brillante del centro es la fuente de radio Sagitario A, donde se encuentra el agujero negro supermasivo Sgr A* (se pronuncia "Sagitario A estrella"). La fuente doble a su izquierda es Sgr B (1 y 2) y la más chiquitita a la derecha es Sgr C. Se ven además un montón de "burbujas": la más grande se ve parcialmente en el ángulo inferior derecho, y otras tres cerca del borde izquierdo. Son restos de explosiones de supernovas. De Sagitario A sale un arco muy brillante, donde se distinguen varios filamentos paralelos. Está asociado al cúmulo Arches (o Arcos, no sé si se traduce), el más denso cúmulo estelar conocido de la Vía Láctea (está a unos 100 años luz del centro galáctico). Además de este grueso filamento, se ven una cantidad de filamentos esparcidos por todos lados, más o menos alineados verticalmente, o sea perpendiculares al plano de la galaxia, que está puesto horizontal en la foto. 

Esta imagen me resulta extraordinaria. ¡Hay tanta complejidad, tanto caos, tantas cosas únicas en el centro galáctico, comparado con las regiones que vemos en nuestra región de la galaxia! Es una lástima que no podamos verlas en luz visible, pero por otro lado es una suerte poder verlas en microondas y radio. Agregué la imagen de MeerKAT a una comparación hecha por APEX, un radiotelescopio submilimétrico que ha completado un gran survey de las regiones centrales de la Vía Láctea. La composición muestra también imágenes infrarrojas y visible:

La imagen inferior es la de luz visible (la que dice "optical"), y se ve que el centro galáctico está oculto por las nubes oscuras de Sagitario. En las otras longitudes de onda, sin embargo, vemos que el centro galáctico es el punto más brillante. Esta imagen mide unos 20 grados de ancho (como una mano abierta con el brazo extendido), y se puede apreciar el pedacito que ocupa la imagen de MeerKAT, 10 veces más chica. A la izquierda se distinguen las nebulosas Laguna (M8) y Trífida (M20), que hemos visitado en el blog.

Por cierto, la imagen que mostré arriba está bastante reducida. Un detalle de la región central es increíble:

El óvalo súper brillante es Sgr A, en cuyo centro está el agujero negro supermasivo. Aquí se ven mucho mejor los filamentos del Arco, y varios otros. Estos filamentos son raras regiones de formación estelar, y vaya uno a saber cómo se las arreglan las estrellas para organizarlos así, si son campos magnéticos, o presiones hidrodinámicas en el medio interestelar, o qué.

MeerKAT es la primera fase de un observatorio que tendrá miles de antenas, con una línea de base de 3000 km y una superficie colectora de un kilómetro cuadrado: el Square Kilometer Array, SKA. Espero que lo construyan, porque tendrá sensibilidad y resolución inmensas.

(Si te interesa la nota sobre la foto del agujero negro supermasivo, encontrala aquí.)

 

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Las imágenes son de MeerKAT y de APEX/ATLASGAL.

Arecibo responde

El 15 de agosto de 1977 el radiotelescopio Big Ear detectó una señal en la frecuencia de 1420 MHz (21 cm), viniendo de la dirección de Sagitario. El astrónomo Jerry Ehman la descubrió algunos días después revisando los datos, que quedaban impresos en una cinta de papel con un código alfanumérico. La señal era inusualmente intensa y larga, de manera que llamó la atención de Ehman, quien la marcó en el papel como hacían los egipcios con los nombres de los faraones y escribió Wow! al lado. Se consideraron y descartaron muchas posibles explicaciones naturales o humanas, y al día de hoy la señal Wow! es la mejor candidata a ser una transmisión de una civilización extraterrestre. Nunca se volvió a detectar algo así.

La señal aparece en uno solo de los canales, cubriendo una banda estrecha de sólo 10 kHz. La frecuencia de este canal es 50 kHz mayor que la frecuencia de la línea H I del hidrógeno, una favorita para la búsqueda de inteligencia extraterrestre. Cada letra del código 6EQUJ5 indica una relación señal a ruido, promediada en 12 segundos de medición. En esta representación la señal aparece como un pulso simple. Si había alguna modulación más rápida que estos 12 segundos, se perdió en el promedio temporal. Big Ear observaba sin seguir el movimiento del cielo, y los 72 segundos de Wow! corresponden a un punto del cielo para la resolución del radiotelescopio. Esto, más el máximo casi en el medio, flanqueado por rápidas subida y bajada, indican que posiblemente la señal era continua y fue barrida por el detector durante esos 72 segundos.

En 2012, al cumplirse 35 años de Wow!, National Geographic organizó una respuesta, que fue transmitida desde el radiotelescopio de Arecibo. No prepararon un mensaje nerd como el que Drake y Sagan enviaron desde el mismo lugar en 1974, sino que convocaron al público a que contribuyeran tweets. El resultado fue una mezcla entre simpática y vergonzosa de más de 20 mil tweets. Vean el videíto, son 6 minutos, con preciosas tomas de Arecibo (los mensajes empiezan en el minuto 1 y medio).

Como dice la conductora, "It's not exactly hard science", pero es simpático, y me parece bien que lo hayan hecho. Ahora bien, ¿tiene alguna chance de ser detectada esta respuesta? Rhys Taylor, a quien he mencionado más de una vez en este blog, trabajaba en Arecibo en ese momento. Cuenta que le preguntó a los ingenieros si la señal sería detectable, a algunas decenas de años luz, con un radiotelescopio equivalente al de Arecibo. La respuesta fue inmediata y contundente: no. El transmisor de Arecibo tenía una potencia de 1 MW. Un celu en Marte podría detectarlo integrando durante un segundo, pero las estrellas están muchísimo más lejos. Según Rhys no se podría detectar ni siquiera desde Alfa Centauri, la estrella más cercana al sistema solar, con un equipo similar a Arecibo.

El mes pasado un astrónomo aficionado español, Alberto Caballero, publicó en el arXiv un análisis de posibles fuentes de la señal Wow! Identificó en los datos de Gaia las estrellas similares al Sol que existen en la región del cielo de donde vino la señal, y la mejor candidata resultó ser la estrella 2MASS 19281982-2640123. Es casi una gemela del Sol: a una temperatura de 5783 K, mide 0.9965662 radios solares y emite 1.0007366 veces la luminosidad solar. Eso sí, está medio lejos: 1801 años luz. Esta estrella podría ser la fuente de Wow!, pero los seres que hicieron la transmisión deberían tener unos radiotelescopios gigantescos, o usar otro tipo de transmisor. De todos modos, no estaría de más revisar si, por lo menos, tiene planetas a su alrededor.  

La que sí tiene planetas es Proxima, la estrella más cercana a nuestro sistema. De la dirección de Proxima se detectó recientemente la única otra señal de pinta artificial que hemos recibido en 42 años. Todavía no conocemos detalles de lo que se observó, más allá de las notas de prensa. Parece casi seguro que es una señal artificial, y que viene del espacio. Pero la humanidad ha lanzado gran cantidad de tecnología al espacio. Todavía no ha terminado el análisis, pero seguramente habrá novedades en breve.

 

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La resolución de un radiotelescopio es el cociente entre la longitud de onda y el diámetro del reflector. A 21 cm los 53 m (equivalentes, porque era rectangular) de Big Ear dan una resolución de 0.22 grados. Los 72 segundos de Wow!, divididos por la duración de un día sideral, dan 0.31 grados, casi igual a la resolución teórica. Big Ear parecía más una cancha que un telescopio, ¿no?

 La representación gráfica de la señal Wow! es de Wikipedia, usuario Maxrossomachin (CC BY-SA).

Arecibo: Eye in the Sky

Seguramente ya te enteraste: la National Science Foundation anunció que va a decomisionar y demoler el gran radiotelescopio de Arecibo. Uno de los cables auxiliares que soportan las antenas sobre el disco reflector de 300 metros se rompió en agosto, seguido por uno de los cables principales en noviembre. Ambos cables, que son enormes, rompieron parte de la estructura del reflector, y su pérdida hace que toda la superestructura esté en riesgo de colapsar de manera descontrolada. Una más para este 2020 infernal.

El radiotelescopio de Arecibo, con su aspecto futurista y su emplazamiento exótico en la selva caribeña, siempre capturó la imaginación del público, y ocupa un lugar destacado en la cultura popular con sus apariciones en películas y series. Durante 50 años fue el radiotelescopio más grande del mundo, hasta la inauguración del chino FAST (de 500 metros, pero con 300 usables, o sea casi igual que Arecibo). Hasta el VLA, con sus 27 antenas, tiene sólo un quinto de la superficie de recepción, y ALMA menos de un décimo. En sus casi 60 años ha producido una cantidad impresionante de descubrimientos astronómicos. Apenas inaugurado, en Arecibo se descubrió que la rotación de Mercurio es de 59 días, no de 88 (gravitacionalmente bloqueado por el Sol) como se había creído durante décadas. Todavía en los 60s, su observación de pulsos de radio cada 33 ms viniendo del centro de la Nebulosa del Cangrejo fue la confirmación definitiva de la hasta entonces conjetural y disputada existencia de las estrellas de neutrones. En 1974, la observación del decaimiento de un púlsar binario fue la primera confirmación de la existencia de las ondas gravitacionales de la Relatividad General, y mereció el Premio Nobel de 1993 para Hulse y Taylor. El mismo año, los legendarios Frank Drake y Carl Sagan transmitieron el mensaje de Arecibo, el primer intento de comunicarse con una civilización extraterrestre. Durante décadas Arecibo fue el principal sitio de SETI, a caballito de sus observaciones astronómicas, ya que es capaz de detectar una transmisión hecha por una instalación similar a 1000 años luz de distancia, un volumen donde hay 10 millones de estrellas. Además de radiotelescopio, Arecibo es un radar, y ha mapeado exhaustivamente la superficie de Venus, descubierto hielo en Mercurio y lagos de hidrocarburos en Titán, y observado las superficies de numerosos asteroides cercanos a la Tierra. El Premio Nobel del año pasado lo recibieron Mayor y Queloz por descubrir el primer exoplaneta en órbita de una estrella como el Sol, pero el primer exoplaneta, tres en realidad, fueron descubiertos en Arecibo, alrededor de una estrella de neutrones. Y son muchísimas sus observaciones de la principal función de un radiotelescopio: gases, desde hidrógeno hasta moléculas orgánicas, ya sea en el medio interestelar o en galaxias remotas.

La NSF ha dicho que es posible que haya más daño en otros cables, que se encuentran ahora soportando el peso adicional por los que se cortaron. Ante la posibilidad de que la estructura colapse, han decidido no repararla y demolerla de manera controlada para preservar los edificios. El Observatorio seguirá existiendo, pero sin el radiotelescopio su uso pasará a ser testimonial, y andá a saber cuánto tiempo lo mantienen. ¿Acaso se podrá construir un reemplazo en el mismo sitio? Quién sabe. La demolición va a ser carísima, y un nuevo instrumento muchísimo más. Arecibo no es para nada un instrumento obsoleto, ya que fue mantenido y renovado de manera sostenida durante su existencia. Parece mentira que no se lo pueda reparar, son cables después de todo, cables gruesos pero cables. Hay al menos una petición oficial para explorar la posibilidad de estabilizar la estructura y repararla. En fin.

Estaba pensando que, si no lo van a reparar, tal vez sería mejor que lo dejen colapsar y decaer naturalmente. Que se convierta en un observatorio arqueológico, como Stonehenge. Dentro de 5000 años lo visitarán los turistas marcianos, y los guías locales se lo mostrarán orgullosos: Desde aquí, una civilización hoy extinta observaba las estrellas.

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PS, 1 de diciembre de 2020. Las antenas de Arecibo colapsaron. Tweet de Deborah Martorell.

El telescopio más grande del mundo

Los agujeros negros son misteriosos y fascinantes. En cierto sentido, son apenas un lugar, una geometría del espacio-tiempo, una solución de las ecuaciones de Einstein de la Relatividad General. Los soñamos durante un siglo, los calculamos y los visualizamos: lugares imposibles donde la luz se mueve en órbitas, donde el tiempo se detiene. En notas anteriores traté de derrumbar algunos de los mitos sobre los agujeros negros, en particular que son como aspiradoras astronómicas. Nada más lejos de la realidad: de hecho, el comportamiento de la materia que hay a su alrededor es precisamente lo que los convierte en objetos, ya no meras geometrías del espacio-tiempo. Sabemos, por el movimiento del gas y las estrellas que hay cerca del centro de las grandes galaxias, que casi todas ellas albergan un agujero negro gigante, millones o miles de millones de veces más pesado que el Sol. En el centro de la Vía Láctea tenemos uno de 4 millones de masas solares, y hemos visto cómo las estrellas que están en órbita a su alrededor se aceleran desaforadas cuando le dan la vuelta, y adelantan su periapis (¿perinigricon?) precisamente como dice la Relatividad General. Pero nunca vimos el agujero mismo. Hasta esta semana, cuando vimos el que hay en el centro de la galaxia M87:

¿Cómo hacer para ver un agujero negro? Es negro, negrísimo, pero su intensa gravedad distorsiona la imagen de sus alrededores produciendo una "sombra" característica de su horizonte de eventos. Las estrellas en órbita no bastan, no pasan suficientemente cerca. Hay que tratar de ver la materia que se encuentra más cerca, restos de estrellas y nubes destrozadas por la fuerza de marea del agujero negro, girando en órbitas apretadas y brillando de una manera característica. Claro que se necesita un telescopio enorme. ¿Como el Very Large Telescope, con sus 4 espejos de 8 metros? ¿O el Keck con su doble ojo de 10 metros? Más grande, como sólo los grandes radiotelescopios pueden ser. OK, ¿como el de Arecibo, de 300 metros, o su heredero chino de 500? Más. ¿Como los grandes arrays, el Very Large Array que hemos visto en películas, o el más moderno ALMA en Atacama? ¡Más! Se necesita un telescopio del tamaño del planeta Tierra. Chan.

En un logro tecnológico sin precedentes, los grandes radiotelescopios del mundo lograron en 2017 funcionar como un solo instrumento de 10 mil kilómetros de diámetro. Lo llaman el Event Horizon Telescope, obvio. Y lograron pispear los alrededores de agujero negro supermasivo ¡en el centro de la galaxia M87, a 55 millones de años luz de nosotros! Es del tamaño del sistema solar entero, pero a esa distancia es como observar un pelo a 1000 km. Dos años llevó la reconstrucción matemática de los datos recolectados durante la histórica observación, y es la que mostraron esta semana. Y no te dejes engañar por quienes dicen que esto no es una foto. Las que sacás con el celular también son una reconstrucción matemática de los datos recolectados por un sensor de radiación electromagnética. La diferencia está en detalles técnicos. Pero es una foto.

¿Cómo podemos entender esta imagen, que parece un anillo brillante fuera de foco? Es difícil decirlo brevemente, pero es más o menos así. El horizonte de eventos no es un objeto. Es apenas un lugar, una región del espacio. Las ecuaciones de la Relatividad General dicen que estos horizontes envuelven completamente un espacio del cual nada puede escapar. Por eso no podemos ver lo que hay dentro (y por eso se llama horizonte, no podemos ver más allá). Lo que sí podemos ver es la materia que tienen a su alrededor, materia supercaliente y por lo tanto muy brillante. Forma un disco grueso en órbita alrededor del agujero negro (el disco de acreción). El borde interior del disco es un poco más grande que el horizonte de eventos, y marca la región dentro de la cual no se puede permanecer en órbita. Esa es la luz que vemos en la imagen de hoy. Pero no directamente: el espacio y el tiempo están tan distorsionados en la proximidad del agujero negro, que la imagen del disco se deforma de una manera particular, perfectamente predecible por la Relatividad General. De hecho, uno de los aspectos extraordinarios de esta observación es que la imagen obtenida, con esas partes más brillantes y otras más oscuras, es precisamente lo que esperábamos obtener, a la luz de los cálculos y las capacidades del Event Horizon Telescope. En esta imagen rescaté las regiones más oscuras, que no se ven bien en la de arriba.

¿Podrán observar algo más? Por empezar, lo que vimos esta semana fueron cuatro observaciones, de cuatro días distintos. M87* (se dice "eme 87 estrella", "em eighty seven star" en inglés) será observado nuevamente, y seguramente revelará una dinámica que habrá que entender y explicar. Además, en la conferencia de prensa se mencionó que los datos contienen también la polarización de la radiación, que permitirá reconstruir el campo magnético, lo cual será crucial para entender mejor el origen del chorro de materia y energía que surge de este agujero negro (imagen de aquí a la derecha, mide 5000 años luz de largo), cuya formación todavía no se comprende del todo.

Por otro lado, se podrá observar el agujero negro Sgr A* ("sagitario A estrella"), el que tenemos en el centro de la Vía Láctea. De hecho, muchos creíamos que esta semana se mostraría éste, y nos sorprendimos al ver el de M87. Ambos son del mismo tamaño en el cielo, pero Sgr A*, al ser más pequeño, parece que tiene escalas de tiempo bastante más rápidas que las del gigante M87* y el procesamiento no terminó.

¿Y por qué se ve tan "fuera de foco"? ¿No lo pueden hacer mejor? Hay que decir que es tal como lo esperábamos, más allá de las ilustraciones de alta resolución (y bajo realismo) que mostraron los medios de prensa en los días previos. Pero con longitudes de onda menores, o con más radiotelescopios, se podrá mejorar la resolución y medir, por ejemplo, a qué velocidad rotan el agujero y el disco (hay una estimación en los papers, pero no es concluyente). Y también con telescopios fuera de la Tierra. ¿Se imaginan con un radiotelescopio en la Luna? ¡Aaaaaahhhh!

Los agujeros negros "normales", de masa estelar, que hay en la Vía Láctea, son demasiado pequeños aun para el Event Horizons Telescope. ¡Es un telescopio para observar sólo dos objetos! Pero estos agujeros negros alimentan algunos de los fenómenos más energéticos del universo, y parecen haber jugado un rol crucial en la formación de las galaxias. Nunca los habíamos visto. Estoy seguro de que es un enorme avance para la astrofísica en más de un área. Por otro lado, el logro tecnológico en sí mismo seguro que dará lugar a una multitud de avances en instrumentación, como suele ocurrir.

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La primera solución exacta de las ecuaciones de la Relatividad General que se encontró, apenas un mes después de la presentación de la teoría, es (sabemos hoy) la de un agujero negro que no rota. Fue una sorpresa para el propio Einstein: en el frente oriental de la Primera Guerra Mundial, Karl Schwarzschild descubrió la métrica que hoy lleva su nombre. Falleció poco después, de una enfermedad contraída durante ese duro invierno en las trincheras. Uno no puede dejar de imaginarse al tipo, tiritando, casco y fusil, reclinado contra un terraplén helado, con el paper de Einstein que alguien le habrá hecho llegar en una mano, y garabateando sus cálculos con la otra apoyado sobre el muslo, para mandárselos a Einstein antes de que cayera la próxima granada. "A pesar del fuego pesado de artillería", dice en su carta. El agujero negro observado en M87 obedece a otra solución, la llamada métrica de Kerr. Roy Kerr vive, tiene 84 años, es un matemático neocelandés, y se merece un aplauso. Y un premio.

Recomiendo este video de Veritasium para entender un poco más sobre cómo interpretar esta imagen de un agujero negro:



Y también esta simulación realista del disco de acreción preparada por el Observatorio Europeo Austral:

¿Explosiones de agujeros negros? No, peeero...

Cuando hablé sobre Stephen Hawking en ocasión del aniversario de su famoso libro de divulgación comenté su trabajo pionero que combina aspectos de mecánica cuántica con relatividad general. Hawking lo tituló Black hole explosions?, imaginando que posibles agujeros negros primordiales, pesados como una montaña pero pequeños como un átomo, y que se habrían formado a partir de fluctuaciones en el universo temprano, habrían explotado en el pasado dejando tras de sí una radiación detectable.

Un grupo de físicos e ingenieros australianos, dedicados radioastrónomos, pensaron que podían detectarlos. Encabezados por John O'Sullivan desarrollaron hardware y software muy innovadores, usando una especie de prisma matemático llamado Fast Fourier Transform, que tiene sus raíces hace 200 años en los esfuerzos de Joseph Fourier por comprender cómo se propaga el calor en un material sólido. Con el apoyo financiero del CSIRO (el equivalente australiano del CONICET) desarrollaron un "chip Fourier". Lo necesitaban para integrarlo a un sistema de comunicaciones inalámbricas en sus radiotelescopios.

O'Sullivan y sus colegas nunca detectaron ni un agujero negro. Pero patentaron el sistema de comunicaciones inalámbricas, que se convirtió en el corazón del estándar 802.11, el WiFi. Estás leyendo esto en un dispositivo cuántico, conectado a la Internet mediante un aparato inventado para buscar explosiones de agujeros negros con un radiotelescopio. Quién se lo hubiera imaginado.

Los caballeros de 21 cm

¿Qué hay en la vastedad oscura que vemos entre las estrellas? Sólo las más grandes y calientes alcanzan a hacer brillar el hidrógeno que llena este abismo con su intensa radiación ultravioleta. Pero donde no vemos nada también debe haber gas, sólo que frío, oscuro e invisible.

En 1945 el astrónomo holandés Jan Oort (el de la nube de cometas) le pidió a su estudiante de doctorado Henk Van de Hulst que revisara si no podría haber alguna señal proviniendo de estos átomos fríos. Van de Hulst calculó que era posible. Esos átomos fríos se encontrarían en su nivel de mínima energía, lo que llamamos su estado fundamental. Pero resulta que hay dos configuraciones posibles, permitidas por la naturaleza cuántica de los átomos, dependiendo de una muy tenue interacción entre el electrón y el núcleo del átomo de hidrógeno. Estas dos configuraciones tienen prácticamente la misma energía, y su diferencia es tan pequeña que una transición (llamada hiperfina) entre ambas se llama además "prohibida". Es un abuso del nombre: en realidad está permitida, pero es inobservable en un laboratorio por dos razones. En primer lugar, el mejor vacío de laboratorio tiene demasiados átomos y las colisiones entre ellos perturbarían la observación de la transición hiperfina. En segundo lugar, aún cuando se pudiera mantener a los átomos imperturbados, la transición es tan improbable que jamás se la observaría. Pero en el espacio... ¡Ah! En el espacio interestelar el gas es mucho menos denso, con átomos helados y tranquilitos... ¡y además es inmenso! Aunque la densidad es bajísima, el espacio es tan vasto que la cantidad de átomos aseguraría que la transición prohibida ocurriría suficientes veces para ser observada. O tal vez no, nadie lo sabía.

Como resultado de la transición hiperfina, calculó Van de Hulst, debería observarse una radiación electromagnética de 21 cm de longitud de onda. Esto corresponde a las ondas de radio en el espectro electromagnético. En 1931 Karl Jansky había descubierto inesperadamente ondas de radio viniendo de la Vía Láctea, así que Oort y Van de Hulst conjeturaron que podría ser posible observar en radio este gas interestelar. Publicaron sus cálculos en una oscura revista holandesa, Nederlands tijdschrift voor natuurkunde, con el rarísimo título Ondas de Radio del Espacio: Origen de las Ondas de Radio. Un físico ruso, Iosif Shklovskii confirmó el cálculo con mayor detalle, y lo publicó... en ruso.

Unos años más tarde, del otro lado del Océano Atlántico, Harold Ewen estaba trabajando full time en la construcción de un nuevo ciclotrón en Harvard, usando más materiales que los que a su juicio hacían falta. El trabajo técnico no terminaba de gustarle y se interesó por la radioastronomía. Lo comentó con un destacado físico, Edward Purcell. La esposa de Purcell sabía ruso, así que le pidieron que tradujera el artículo. También consiguieron una traducción del artículo de los holandeses. Cuando los leyó, Purcell se entusiasmó y alentó a Ewen para que construyera un receptor de radio para tratar de observar el fenómeno. Era una época en que, si querias usar un radiotelescopio, tenías que construirlo...

Purcell consiguió un subsidio de 500 dólares para fabricar un radiómetro. Ewen descubrió que no alcanzaba y se lo comentó a Purcell, quien sacó la billetera y le dio 300 dólares de su bolsillo (son como 3000 dólares de hoy, pero Purcell ganaría el Premio Nobel en 1952, así que no le debe haber hecho falta). Como todavía no alcanzaba Ewen usó partes "tomadas en préstamo" de otros laboratorios. La mayor parte del equipo era "secuestrada" cada viernes a la tarde del ciclotrón usando una carretilla, y devuelta el lunes a la mañana... El receptor estaba conectado a una antena en forma de cuerno de madera terciada recubierta de cobre, montada en una ventana del Departamento de Física. Un día llovió y la antena demostró su eficacia como embudo, inundando todo el laboratorio. Le pusieron esa tapa que se ve en la foto (plegada hacia atrás) para que no volviera a pasar.

Ewen midió, y vio. Usando un método delicado de sintonización en la banda de 21 cm, inventado por él mismo y hoy usado regularmente en los radiotelescopios, logró detectar la radiación de la transición hiperfina del hidrógeno proviniendo del espacio. Aquí vemos su aspecto satisfecho.

Resultó que Van de Hulst estaba en Harvard, como profesor visitante del Observatorio. El radioastrónomo australiano Frank Kerr también estaba de visita. Ewen y Purcell los convocaron, les contaron sus resultados, y los urgieron a confirmarlos en sus propios laboratorios. Van de Hulst les contó que hacía años que lo estaban intentando, pero sin éxito. En un ejemplo de caballerosidad que sería inimaginable hoy en día, Ewen les explicó su método de detección. No sólo eso, sino que Purcell insistió en que demorarían la publicación de sus observaciones hasta que los holandeses y los australianos confirmaran los resultados. Los tres trabajos se publicaron en conjunto en la revista Nature, en septiembre de 1951.

La detección de la línea de 21 cm (1420 MHz) revolucionó la naciente radioastronomía. Las regiones de hidrógeno frío (10 a 100 K, reíte de Frozen) no emiten nada de luz visible, pero están por todos lados en la galaxia. En poco tiempo permitieron, por ejemplo, mapear la estructura de brazos espirales de la Vía Láctea. Un programa que no ha terminado, hay que decir. Véase el gráfico de aquí al lado. Lo tomé de un artículo de enero de este año, y  muestra la posición de unas nuevas nubes de hidrógeno (círculos celestes) que parecen prolongar uno de los brazos de la galaxia mucho más allá de lo conocido (rombos celestes, resultados del 2011). ¿Tal vez la Vía Láctea es una galaxia grand design, sólo que de adentro es difícil verlo?

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Hace poco leí esta historia en Life and death of stars, de Kenneth Lang, y me encantó. La línea del hidrógeno de 21 cm (1420 MHz) alcanzó cierta fama más allá del ámbito académico de la radioastronomía por su potencial para comunicarse con civilizaciones extraterrestres. Las placas conmemorativas a bordo de las Pioneer y las Voyager también usan esta frecuencia como escalas de tiempo y de longitud en sus mensajes.

El gráfico de la Vía Láctea y las nuevas nubes de hidrógeno atómico está tomado de A Possible Extension of the Scutum-Centaurus Arm into the Outer Second Quadrant, Yan Sun et al. (2015) ApJ 798 L27.