El 10 de abril de 2019, el proyecto Event Horizon Telescope (EHT) presentó en seis ruedas de prensa simultáneas la primera imagen de un agujero negro: un anillo anaranjado difuso rodeando un centro oscuro, la sombra del agujero negro supermasivo M87*, ubicado en el corazón de la galaxia Messier 87, a unos 55 millones de años luz. La imagen parecía sencilla. Obtenerla fue una de las hazañas de recopilación de datos más complejas en la historia de la ciencia.
Un telescopio del tamaño del planeta
Ningún radiotelescopio individual en la Tierra es lo suficientemente grande como para observar un agujero negro. M87* abarca aproximadamente 40 microarcosegundos en el cielo, equivalente al tamaño angular de una naranja situada en la superficie de la Luna vista desde la Tierra. Resolver ese detalle requeriría un telescopio de miles de kilómetros de diámetro.
La colaboración lo construyó, en cierto modo. La técnica empleada se llama interferometría de muy larga base (VLBI, por sus siglas en inglés) y consiste en apuntar múltiples radiotelescopios separados hacia el mismo objeto en el mismo instante, combinando después sus registros como si fueran fragmentos de una antena enorme. El tamaño de ese telescopio virtual equivale a la distancia entre las estaciones. Distribuyéndolas por todo el planeta, se obtiene una apertura casi del diámetro terrestre.
En abril de 2017, la red estaba formada por ocho telescopios en seis ubicaciones geográficas: ALMA y APEX en los Andes chilenos, el radiotelescopio de 30 metros del IRAM en España, el James Clerk Maxwell Telescope y el Submillimeter Array en Hawái, el Large Millimeter Telescope en México, el Submillimeter Telescope en Arizona y el South Pole Telescope en la Antártida. Durante cuatro noches (5, 6, 10 y 11 de abril), siete de ellos observaron M87* a una longitud de onda de 1,3 milímetros (frecuencia de 230 gigahercios), en la banda de radio y microondas, completamente invisible para el ojo humano.
Según recoge Fstoppers, coordinar esta red requirió casi dos décadas de trabajo. Varios telescopios fueron equipados con nuevos receptores y sistemas de registro para unirse al proyecto. La sincronización era crítica: cada estación portaba un máser de hidrógeno, un reloj atómico capaz de mantener los registros sincronizados con una precisión de fracciones de nanosegundo. Cada telescopio marcaba las ondas de radio entrantes con ese tiempo exacto, las grababa en disco y esperaba. La imagen no existía todavía en ninguno de ellos. Sólo existía en la relación matemática entre sus flujos de datos.
Media tonelada de discos duros
Grabar señales de radio a ese ancho de banda generó una cantidad descomunal de información. En la campaña de abril de 2017, el EHT capturó aproximadamente 3,5 petabytes de datos sin procesar (3.500 TB). Apilados, los discos duros pesaban más de media tonelada. No se podían enviar por internet: la conexión más rápida del mundo es demasiado lenta para esa carga, así que la colaboración envió los discos físicos por transporte aéreo a dos centros de supercómputo: el Haystack Observatory del MIT en Massachusetts y el Max Planck Institute for Radio Astronomy en Bonn, Alemania.
Una estación no pudo enviar sus datos durante meses. El South Pole Telescope quedó aislado por el invierno antártico y sus discos no abandonaron el continente hasta finales de 2017, cuando las condiciones permitieron el vuelo de aviones. Una vez reunidos los discos, los correladores alinearon las siete grabaciones, compensaron los milisegundos de diferencia con que una onda radioeléctrica alcanza Chile antes que Hawái y generaron las mediciones de interferencia en bruto a partir de las cuales se construye la imagen del agujero negro.
La imagen es una reconstrucción, no una instantánea
Aquí es donde la palabra fotografía empieza a desmoronarse. Un telescopio del tamaño de la Tierra tejido desde ocho puntos es principalmente vacío. Tienes un puñado de antenas, no un espejo sólido, así que sólo muestreas una dispersión escasa de la información que un radiotelescopio planetario real recogería. Esos datos escasos no apuntan a una sola imagen. Un número infinito de imágenes diferentes es matemáticamente compatible con lo que la red midió.
Elegir entre esas posibilidades es un acto de criterio, guiado por algoritmos que rellenan los huecos con supuestos razonables, como favorecer imágenes más suaves frente a otras salpicadas de ruido salvaje. Y ahí reside el peligro. Si introduces supuestos sesgados en el proceso, puedes conjurar un anillo que nunca estuvo realmente allí.
La colaboración se protegió contra el autoengaño dividiendo el trabajo en cuatro equipos de imagen independientes, aislados entre sí, cada uno usando software y métodos diferentes. Incluso probaron sus pipelines con datos falsos, incluidas imágenes sin anillo alguno, para asegurarse de que no estaban dibujando simplemente la forma que esperaban encontrar. Cuando los cuatro equipos finalmente compararon resultados, todos habían producido independientemente el mismo anillo anaranjado asimétrico. Ese acuerdo es lo que convirtió una reconstrucción plausible en una medición creíble.
Las reconstrucciones finales se apoyaron en dos familias independientes de métodos: el enfoque tradicional CLEAN ejecutado en DIFMAP y una técnica más reciente de máxima verosimilitud regularizada implementada en los paquetes de software eht-imaging y SMILI. Entre los investigadores que desarrollaron esas herramientas de imagen más nuevas estaba Katie Bouman, quien había construido un algoritmo previo de imagen de agujeros negros llamado CHIRP como estudiante de posgrado en el MIT y era investigadora posdoctoral cuando se publicó la imagen. En los días posteriores a la publicación, los titulares la enmarcaron como la única persona que hizo la imagen. Bouman pasó las semanas siguientes corrigiendo el relato. «Ningún algoritmo o persona hizo esta imagen por sí solo», escribió, dando crédito en cambio a un equipo mundial de científicos y a años de trabajo en el hardware, la calibración y el análisis. Esa es la versión honesta. Más de 200 investigadores construyeron el resultado, y la contribución real de Bouman, desarrollar técnicas de imagen y ayudar a diseñar el marco ciego que mantuvo a todos honestos, es impresionante sin el mito. Ahora es profesora en Caltech.
Por qué el anillo es naranja
El color que recuerdas no es un color que nadie pudiera ver jamás. El EHT observó a 1,3 milímetros, en plena banda de radio, así que no existe un matiz literal que reproducir. El naranja y el amarillo son un mapa de brillo, una escala que el equipo aplicó para mostrar cuánta energía radioeléctrica llegaba desde cada porción del cielo. El amarillo marca la emisión más intensa, el rojo es más tenue y el negro es poco o nada. Cambiar la paleta a azul o gris y la física sería idéntica.
Lo que el anillo realmente traza es luz curvándose alrededor de una región de gravedad tan extrema que nada escapa de ella. La mancha oscura en el centro es la sombra del agujero negro, y es más grande que el horizonte de sucesos en sí, porque la gravedad del agujero negro desvía la luz del plasma caliente que lo rodea, incluyendo emisión del lado lejano, alrededor y hacia tu vista, inflando la silueta a unas 2,5 veces el horizonte real. A partir del tamaño de ese anillo, el equipo midió la masa de M87* en 6.500 millones de veces la masa del Sol, con un margen de error de unos cientos de millones.
El anillo brilla más intensamente en su borde inferior debido al beaming relativista: el gas en ese lado gira alrededor del agujero hacia la Tierra a una fracción considerable de la velocidad de la luz, lo que potencia y enfoca su radiación en nuestra dirección, mientras que el lado que se aleja se atenúa.
La segunda imagen: Sagitario A*
Tres años después, el 12 de mayo de 2022, la misma colaboración publicó un segundo retrato, esta vez más cercano. Mostraba a Sagitario A*, el agujero negro supermasivo que ancla nuestra propia Vía Láctea, a unos 27.000 años luz de distancia y con una masa de aproximadamente 4 millones de soles. Procedía de la misma sesión de observación de abril de 2017.
Podrías esperar que el agujero negro más cercano fuera el más fácil. Fue lo contrario. M87* es tan enorme que el gas tarda días en rodearlo, así que se mantiene quieto como un sujeto paciente durante una noche de observación. Sagitario A* es más de mil veces más pequeño, y el gas circundante lo rodea en minutos, lo que significa que la fuente parpadea y se remodela mientras los telescopios aún están grabando. Obtener su imagen fue como fotografiar un perro corriendo con exposición larga, y el equipo tuvo que promediar miles de marcos posibles para recuperar el anillo, que midió unos 51,8 microarcosegundos de diámetro.
Que produjera la misma forma fundamental, un anillo brillante alrededor de una sombra oscura, fue otra prueba poderosa de la relatividad general en el régimen de gravedad fuerte, coincidiendo con lo que las ecuaciones de Einstein predijeron hace un siglo.
Así que la próxima vez que ese anillo naranja pase ante ti, recuerda qué estás mirando realmente. No es el clic de un obturador, sino 3,5 petabytes de mediciones de radio en bruto, señal enterrada en ruido, siete relojes corriendo al unísono por todo el planeta, una flota de discos duros en aviones de carga y años de debate entre 200 personas sobre cuál de las infinitas imágenes posibles el universo intentaba entregarles. La imagen es real. Sólo tuvo que ser construida.