Un forat negre: l’abisme còsmic vist per primer cop

Les observacions de vuit telescopis d’arreu del món aconsegueixen una fita històrica per a l’astrofísica

Les primeres imatges d’un forat negre confirmen un cop més la relativitat d’Einstein

Einstein s’equivocava, però la seva teoria no. Ha quedat clar un cop més amb la primera imatge d’un forat negre que va fer pública dimecres l’equip científic de l’Event Horizon Telescope (EHT), un projecte iniciat vint anys enrere amb l’objectiu de fotografiar aquests monstres còsmics. Els forats negres estan considerats pels astrofísics, i també per la cultura popular, els objectes més enigmàtics de l’univers. Tan exòtics i poc concebibles que fins i tot Einstein, tot i veure com les equacions que havia creat en predeien l’existència, no es va creure mai que poguessin ser reals. El físic suís va morir sense tenir la certesa que aquestes bèsties existien. Però la teoria de la relativitat general, una veritable simfonia intel·lectual que es va presentar el 1915 i que continua donant fruits d’inestimable valor científic, ha superat totes les proves a què s’ha sotmès. L’última es va presentar ahir.

El forat negre retratat és al centre de la galàxia M87, un cúmul el·líptic d’estrelles situat a 55 milions d’anys llum de la Terra i visible amb un telescopi senzill. Tot i que es tracta d’un forat negre supermassiu, és tan lluny que per veure’l fa falta un instrument capaç de detectar un rellotge a la Lluna a ull nu. Per aconseguir-ho, caldria un telescopi tan enorme com tot el planeta. Com que aquest telescopi no existirà probablement mai, astrofísics de tot el món van buscar fa vint anys una manera alternativa de fer l’observació. I la van trobar.

Un objecte concebut fa un segle

La clau de l’èxit ha sigut combinar les observacions de vuit radiotelescopis distribuïts per tot el món com si fossin parts d’un telescopi gegantí. A partir d’una tècnica anomenada interferometria i d’un sistema d’intel·ligència artificial per interpolar les regions sense telescopis reals, el telescopi virtual EHT ha aconseguit finalment obtenir la imatge d’un objecte concebut fa més de cent anys per una enlluernadora combinació de la ment humana i les matemàtiques.

Sobre la imatge obtinguda, cal dir que no reprodueix el que veuríem a ull nu, sobretot perquè les ones electromagnètiques captades pels telescopis se situen entre les microones i els infrarojos, que no són visibles per l’ull humà. Es tracta d’una composició senzilla: un disc lluminós, el gas que orbita el forat, al voltant d’una zona fosca, el forat i la seva ombra.

La imatge es va presentar simultàniament en sis rodes de premsa a tot el món, en algunes de les quals es van percebre els nervis i l’emoció que amaren les fites científiques històriques, com el descobriment del bosó de Higgs el 2012 o la detecció d’ones gravitatòries el 2016. “Per a mi, que he buscat forats negres tota la vida, avui és un dia molt emocionant”, va dir l’astrofísic català Xavier Barcons, director general de l’European Southern Observatory (ESO), el consorci europeu que lidera l’astronomia mundial i que ha participat en el descobriment gràcies als telescopis ALMA i APEX, situats al desert xilè d’Atacama. En un dia de grans declaracions, el comissari europeu de Recerca, Ciència i Innovació, el portuguès Carlos Moedas, que va presentar la troballa des de Brussel·les, va etzibar que “la col·laboració entre científics hauria de representar una lliçó per als polítics”, en referència al fet que per fer possible aquestes observacions ha calgut la col·laboració de més de 200 investigadors de més de 40 països.

Una de les incògnites principals que planava sobre aquest descobriment és si la teoria de la relativitat general d’Einstein seguiria sent vàlida en un entorn com el d’un forat negre, on el camp gravitatori és tan intens que esberla el temps i l’espai. Fins ara la teoria no havia fallat mai, però també és cert que no s’havia pogut posar a prova directament en un entorn com aquest. Després de dos anys de càlculs, els científics han arribat a la conclusió que el que s’observa a la imatge encaixa a la perfecció amb les prediccions teòriques. Un altre èxit en el llarg palmarès d’aquesta teoria.

Posant a prova Einstein

El primer que es va comprovar és si la imatge era compatible amb un forat negre o al centre de la galàxia M87 hi podria haver altres objectes compactes que generessin una gravetat equivalent. “A partir de la imatge s’ha pogut determinar que el que hi ha al centre de la galàxia M87 és, efectivament, un forat negre i no una estrella de bosons o una agrupació de diversos cossos d’alta densitat”, confirma l’astrofísic Marc Ribó, de l’Institut de Ciències del Cosmos de la Universitat de Barcelona (ICC-UB).

A continuació es va comprovar la mida de l’anomenada ombra del forat negre, una zona creada per la curvatura de l’espai que genera la gravetat abassegadora del forat i per l’absorció de llum més enllà de l’anomenat horitzó d’esdeveniments, la distància a partir de la qual ni la llum es pot escapar de l’abisme. La forma d’aquesta ombra a la imatge coincideix amb la predita per la teoria. Després, un cop definida l’ombra, els científics van poder mesurar la mida del forat negre a partir de la imatge. El monstre fa 40.000 milions de quilòmetres de diàmetre. “A partir de la mida d’un forat negre se’n pot calcular la massa”, explica Mar Mezcua, astrofísica de l’Institut d’Estudis Espacials (ICE) del CSIC. I això és el que van fer els científics, per arribar a la conclusió que aquesta bèstia equival a 6.500 milions de sols. “La forma de l’anell de llum que envolta el forat -afegeix Mezcua- indica que hi ha rotació”. Segons indiquen els sis articles científics publicats a la revista The Astrophysical Journal Letters, la rotació del forat negre s’acosta a les més altes possibles permeses per la teoria. A més, s’observa que la part inferior del gas és més brillant, fet que indica que s’està acostant a la Terra, mentre que la superior, més tènue, se n’allunya.

Supertelescopi

El pròxim pas de l’EHT serà continuar amb l’anàlisi de les dades recollides del forat negre que hi ha al centre de la nostra galàxia, Sagitari A*, que s’estima que té una massa de quatre milions de sols i és a una distància de 26.000 anys llum de la Terra. Ara bé, “aquestes dades són més brutes, més difícils de processar”, adverteix Mezcua. Efectivament, la llum que arriba a la Terra procedent del centre de la galàxia ha de travessar tota la pols interestel·lar que hi ha en el pla de la galàxia, i això fa que arribi més adulterada i que les dades requereixin un tractament més complex.

Més endavant, l’objectiu del projecte és guanyar precisió amb la incorporació de més telescopis per observar forats negres més llunyans i estudiar els propers amb més detall. Ja se n’ha afegit un a Groenlàndia i aquest any se n’afegirà un altre als Estats Units. Amb aquest guany de precisió es podrà tornar a posar a prova una teoria que fins i tot ha superat la ment que la va concebre.

Quatre preguntes clau per entendre el descobriment

Què aporta la imatge de nou en el pla teòric?

L’obtenció d’aquesta imatge ha possibilitat mesurar directament algunes de les propietats d’un forat negre, cosa que no s’havia fet mai abans. Això ha permès comparar-les amb les prediccions teòriques per comprovar que la teoria de la relativitat d’Einstein prediu correctament els fenòmens observats. Així, s’ha trobat que el forat negre té un diàmetre de 40.000 milions de quilòmetres i que gira tal com prediuen els models teòrics.

Com es pot fer un mesurament que requereix un telescopi de la mida de la Terra?

La clau per obtenir la primera foto d’un forat negre ha sigut la col·laboració entre vuit telescopis repartits per tot el món. Situats als Estats Units, Mèxic, Hawaii, Xile, Espanya i l’Antàrtida, aquest conjunt de dispositius ha utilitzat la interferometria per actuar en sincronia amb una sola màquina, cosa que ha requerit 20 anys de feina de més de 200 persones de més 40 països. La ciència és una empresa col·lectiva.

Quines possibilitats obre aquest descobriment?

Haver observat un forat negre per primer cop marca un camí cap a un nou camp de recerca. A mesura que l’Event Horizon Telescope integri més telescopis, augmentarà la precisió i es podran observar millor els forats negres més propers, i veure’n d’encara més llunyans. Això permetrà acumular dades precises sobre el comportament d’aquests objectes, a partir de les quals es podrà aprofundir en la seva naturalesa.

Què poden aportar les imatges en el futur?

Observacions com la de l’EHT permeten estudiar regions de l’univers en què s’acumula una gran quantitat de matèria en espais molt reduïts. Allà, els fenòmens quàntics microscòpics i els fenòmens gravitatoris que governen el macrocosmos entren igualment en joc. L’estudi d’aquestes regions pot aportar indicis de com unificar les dues grans teories físiques actuals, la física quàntica i la relativitat general.

Més continguts de