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Unravel the mystery of supermassive black holes

17 January 2022


Antes considerados como una verdadera incógnita en el Universo, hoy los investigadores han aprendido que los agujeros negros supermasivos juegan un rol clave como reguladores de las galaxias. Pero aún hay mucho por descubrir. Comprender cómo se forman y cómo crecen, es precisamente la tarea a la que se ha abocado el profesor del Instituto de Astrofísica UC Ezequiel Treister, investigador del Núcleo Milenio TITANs, donde la UC participa como institución asociada.

En 2019 hubo una noticia que revolucionó la Astronomía y, de paso, todo el mundo: por primera vez se obtuvo una imagen del entorno cercano de un agujero negro. Los astrónomos habían confirmado su existencia debido a sus efectos gravitacionales, pero hasta ese momento, nunca nadie había visto uno.

El hecho fue considerado un hito para la ciencia. Para lograr esa imagen se requirió la colaboración de más de 200 investigadores y la información de ocho radiotelescopios ubicados en distintas partes del mundo: Hawai, México, España, Antártida y Chile -principalmente gracias al Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), el radiotelescopio más grande y complejo del planeta-. Todos ellos se unieron para lograr la resolución adecuada, conformando el Telescopio Horizonte de Sucesos (Event Horizon Telescope, EHT).

“Para tomar esa foto tienes que armar virtualmente un telescopio del tamaño del planeta Tierra. ¿Cómo lo haces? Básicamente, combinas la luz -en ondas de radio, en este caso- que observan los distintos radiotelescopios en todo el mundo. Guardas esas señales y luego, computacionalmente la unes y a través de un procesamiento -que tardó cerca de dos años- llegas a esa imagen”, explica en términos muy sencillos el profesor del Instituto de Astrofísica Ezequiel Treister. “Esa es la mejor imagen que tenemos y es la prueba de que los agujeros negros existen”, agrega.

Dado que un agujero negro no emite ni refleja luz, su forma no se puede ver directamente. Sin embargo, el gas que se precipita hacia su interior alcanza temperaturas de millones de grados y brilla, es decir, emite fotones que escapan el campo gravitatorio y llegan hasta la Tierra. Esa iluminación de fondo sí es visible y en su centro se aprecia un círculo negro, la silueta que recorta el agujero negro. Y eso es lo que pudo ser captado por los radiotelescopios.

“Todas las galaxias tienen un agujero gigante en el centro, incluyendo la nuestra”, afirma el astrónomo, doctorado en Yale, quien ha dedicado su trayectoria académica a su estudio.

Qué son, cómo se forman y qué función tienen, es precisamente lo que busca averiguar el Núcleo Milenio “Tecnología e Investigación Transversal para explorar Agujeros Negros Supermasivos – TITANs”, adjudicado en el concurso 2020, y en el que la UC es institución asociada junto a las universidades de Chile y de Valparaíso, siendo liderado por la Universidad de Concepción.

Misterios por resolver

“Los agujeros negros son los objetos más compactos del Universo, y también, los más misteriosos”, afirma Dominik Schleicher, director alterno del Núcleo Milenio TITANs y jefe del departamento de Astronomía de la Universidad de Concepción.

Como explica Ezequiel Treister: “Los agujeros negros considerados pequeños -que son varias veces el tamaño del sol- básicamente son cadáveres estelares. Cuando una estrella más grande que el sol se le acaba su vida, su “combustible”, se empieza a comprimir tanto, que llega un momento en que no hay ninguna fuerza que pueda frenar su colapso y entonces la gravedad termina ganando, eso significa que se hace muy compacto: se forma un agujero negro”.

“Lo que sabemos es que en el Universo lejano, esos agujeros negros podrían formar la semilla de los agujeros negros gigantes que conocemos ahora”, agrega. Es decir, los agujeros negros pequeños van creciendo, “alimentándose” de polvo y gas, hasta transformarse en supermasivos, cuya masa es más de un millón de veces más grande que la del sol. Otra forma de crecer es chocando con otros agujeros negros, lo que suele ocurrir cuando recién se están formando o en ambientes muy densos.

Como agrega Schleicher, “hay todavía muchas preguntas no resueltas. Por ejemplo, es fácil explicar agujeros negros con masas de 10-100 veces el tamaño del sol, con la muerte de una estrella masiva, pero en los centros de las galaxias hay agujeros negros con masas de un millón hasta mil millones del tamaño del sol. En el Núcleo Milenio queremos utilizar la tecnología actual para entender mejor el origen y crecimiento de estos objetos, y también aumentar la capacidad tecnológica para estudiarlos.

Eso incluye la investigación de nuevos sitios para el Event Horizon Telescope y estudios con respecto a la comunicación con satélites”.

¿Y por qué son importantes?

“Lo que hemos aprendido los últimos quince años, es que estos agujeros negros supermasivos -que viven en el centro de todas las galaxias que conocemos, incluyendo la nuestra, la Vía Láctea- juegan un rol fundamental en regular el crecimiento de la galaxia. De alguna manera -y parte de mi investigación es entender cómo funciona el proceso- son como una especie de termostatos de la galaxia”, explica el profesor Treister.

En otras palabras, actúan como un ente regulador. Si una galaxia comenzara a producir una gran cantidad de estrellas, por ejemplo, el agujero negro las frena. ¿Y cómo lo hace? “No es tragando estrellas”, dice riendo el investigador y prosigue: “Es un poquito más complicado. Cuando el agujero negro crece, alimentado de gas y polvo, emite una gran cantidad de energía. De hecho, un agujero negro en crecimiento puede llegar a ser hasta 10 mil veces más luminoso, emitir más energía, que la galaxia entera que lo alberga. Hemos aprendido que esa energía que emite es justamente el mecanismo regulador: puede frenar la formación estelar, alterar la evolución de la galaxia entera”.

“Así que si se quiere entender cómo funciona una galaxia entera, es necesario saber qué está haciendo el agujero negro. Si no, te faltan ingredientes”, agrega.

Además de mejorar la comprensión respecto de los agujeros negros, el Núcleo Milenio TITAN’s busca a futuro aumentar la observación de agujeros negros -observar la mayor cantidad posible- para poder compararlos.

Para ello, a corto plazo, su objetivo es buscar nuevos sitios para instalar estaciones o antenas para la observación en Chile. Y a largo plazo, el propósito es contar con radiotelescopios en el espacio -lo que, de paso, mejoraría y abarataría la comunicación satelital en el sur del país-.

Otra labor importante es la formación de investigadores. Como afirma afirma Dominik Schleicher: “Las personas con un conocimiento profundo de un área se transforman en un recurso importante que contribuye a largo plazo en la investigación de temas de alta complejidad”.

Pero entre sus objetivos también está el llevar el conocimiento a la comunidad, de manera más concreta. Por eso entre sus actividades están un Congreso Astronómico Escolar, en que los y las estudiantes tienen la posibilidad de realizar un proyecto de astronomía, recibiendo los recursos necesarios y el apoyo de un monitor, el que luego deben presentar en público. Participan escuelas de todo Chile -incluyendo lugares como isla de Pascua e isla Mocha.

Otra instancia es la Escuela de Verano para Profesores, programa de formación de docentes en temas de Astronomía, incluyendo desde aspectos pedagógicos y la entrega de guías para realizar con sus estudiantes, hasta la presentación de investigaciones y temas de interés general.

Además, en pandemia, crearon un ciclo, “Astronomía en tu casa”, con charlas y actividades para todo público. Y recientemente, en diciembre de 2021, fueron parte de las actividades presenciales organizadas por el Campus Villarrica y el PAR Explora Araucanía, “Ciencia abierta. Noche estrellada” que incluyó conciertos de orquestas escolares locales, micro charlas científicas realizadas por los investigadores del Núcleo Milenio y observaciones astronómicas con telescopios, el momento más esperado por los cerca de 350 participantes.

Después del periodo de tres años que dura el Núcleo Milenio, en TITANs esperan -como cuenta Dominik Schleicher – “haber obtenido imágenes adicionales de agujeros negros supermasivos, haber completado estudios con simulaciones sobre la formación de estos elementos, y el estudio de varios sitios para incluir nuevos telescopios, desde Antofagasta hasta Antártica. También esperamos comenzar el trabajo en comunicación con satélites durante el tercer año. En el futuro, el foco va a estar puesto en incluir más satélites y utilizar las nuevas tecnologías, conducir simulaciones más avanzadas para entender las imágenes obtenidas y lograr una mejor comprensión de los agujeros negros supermasivos”.

Original de Nicole Saffie, Editora Web Home UC


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