ALMA se actualiza para sondear horizontes de sucesos de los agujeros negros supermasivos

Los científicos terminan la instalación del nuevo máser de hidrógeno de ALMA. Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), C. Padilla.

Los científicos han realizado una mejora importante en el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) al instalar un reloj atómico de altísima precisión en el Sitio de Operaciones del Conjunto (AOS), donde se encuentra el correlacionador de ALMA. El instrumento de medición original de tiempo que usa gas de rubidio ha sido reemplazado por un máser de hidrógeno más preciso.

Esta mejora beneficiará a todos los usuarios de ALMA y en el futuro permitirá que ALMA pueda sincronizarse con una red mundial de instalaciones de radioastronomía para formar un telescopio del tamaño de la Tierra, con la potencia de aumento requerida para ver detalles en los bordes del agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea^[1].

Antes de que ALMA pueda ofrecer sus capacidades inigualables para esto y otras observaciones científicas similares, primero debe transformarse en un tipo de instrumento distinto conocido como “phased array” o conjunto en fase. Esta nueva versión de ALMA (el “Conjunto ALMA en Fase”) permitirá que 50 de sus 66 antenas funcionen como un radiotelescopio único con una capacidad para captar la luz de un plato de 85 metros de diámetro. Este proyecto de antenas enfasadas es un proyecto de actualización de ALMA dirigido por Shep Doeleman del Observatorio Haystack del MIT (EE.UU.), con una importante participación de institutos de Europa y Asia Oriental.

Un gran avance en este camino se logró recientemente cuando el equipo científico realizó lo que podría considerarse como un “trasplante de corazón” en el telescopio, al instalar un reloj atómico a medida alimentado por un máser^[2] de hidrógeno. Este nuevo reloj usa un proceso similar al de un láser para amplificar un solo tono único, con ciclos contados para producir señales muy precisas.

Existen muchas futuras aplicaciones para el phased array de ALMA, incluyendo su uso como un elemento de redes globales de telescopios como el Global mm-VLBI Array y el Event Horizon Telescope (EHT), del cual ALMA será la instalación más sensible. El EHT será capaz de obtener imágenes del entorno cercano del horizonte de sucesos^[3] alrededor del agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea.

La gran potencia de aumento de estos conjuntos globales deriva de conectar radiotelescopios distantes uno del otro alrededor del mundo, uniéndolos en un telescopio virtual del tamaño de la Tierra. Esta técnica, llamada interferometría, es el mismo proceso que ALMA usa para combinar las señales de todas sus antenas en una operación normal. Esto también permite que telescopios ópticos/infrarrojos como el Very Large Telescope (VLT) de ESO logren una resolución muy alta al combinar muchos telescopios logrando que funcionen como un telescopio gigante, el Interferómetro del Very Large Telescope (VLTI).

La diferencia entre los actuales interferómetros de radio y el futuro interferómetro global es el fino alcance geográfico del nuevo proyecto, su extensión a las longitudes de onda más cortas observables, y la adición de un área de recolección sin precedentes que permite el Conjunto ALMA en Fase.

“Por medio de la unión de los más avanzados radio telescopios de longitudes de onda milimétricas y submilimétricas en todo el planeta, el Event Horizon Telescope crea un nuevo instrumento fundamental con el mayor poder magnificador jamás logrado”, afirmó Doeleman. “Anclado por ALMA, el EHT abrirá una nueva ventana sobre la investigación de agujeros negros, y centrará la atención en uno de los únicos lugares en el Universo donde las teorías de Einstein podrían derrumbarse: en el horizonte de sucesos”.

ALMA llegará justo a tiempo para observar un acontecimiento cósmico muy esperado: la colisión de una nube gigante de polvo y gas conocida como G2 y el agujero negro supermasivo de nuestra galaxia. Se cree que la colisión podría despertar a este gigante dormido y llevarlo a liberar cantidades extremas de energía y, quizá, producir un chorro de partículas subatómicas, lo cual sería un comportamiento sumamente inusual para una galaxia en espiral madura como la Vía Láctea. Se calcula que la colisión comenzará en 2014 y se prolongará por más de un año.

Se instala el nuevo máser de hidrógeno en el gabinete antisísmico, diseñado para proteger los componentes electrónicos en caso de terremoto. Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), C. Padilla.

La capacidad de los agujeros para curvar la luz también constituye una oportunidad única para observar la llamada sombra de los agujeros negros. Cuando se acerca al horizonte de sucesos de un agujero negro, la luz no viaja en línea recta, sino que adopta una extraña trayectoria hiperbólica, e incluso puede llegar a describir una órbita estable. Parte de esa luz, que comienza su recorrido alejándose de los observadores en la Tierra, puede doblarse hasta completar una curva en 180 grados, lo que permitiría a los científicos estudiar el costado más alejado del agujero negro y ver su sombra en el espacio. Como el tamaño y la forma de esta sombra dependen de la masa y de la rotación del agujero negro, estas observaciones podrían proporcionarnos mucha información sobre la distorsión del tiempo y el espacio en este ambiente extremo.

Actualmente la meta es probar la primera señal combinada del observatorio puesto en fase con otro telescopio en 2014, para luego realizar una puesta en marcha completa y dar inicio a las observaciones oficiales en 2015.

Cuando esté sincronizado, ALMA también servirá como un instrumento aislado extraordinariamente sensible capaz de detectar pulsares cerca del agujero negro de nuestra galaxia. También se harán investigaciones independientes sobre las moléculas presentes en el espacio para determinar si las leyes fundamentales de la naturaleza han cambiado con el transcurso del tiempo cósmico.

Notas:
[1] El agujero negro en el centro de la Vía Láctea es un gigante de cuatro millones de masas solares ubicado aproximadamente a 26.000 años-luz de la Tierra en la dirección de la constelación Sagitario. Desde los telescopios ópticos se ve que está cubierto por densas nubes de polvo y gas, razón por la que observatorios como ALMA, el cual opera en longitudes de onda milimétricas y submilimétricas más amplias, son esenciales para estudiar sus propiedades.
[2] Máser deriva del acrónimo inglés MASER (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation, o Amplificación de Microondas por Emisión Estimulada de Radiación). De la misma forma que la luz es usada en un láser, haciendo uso de amplificación óptica, un láser de microondas, en cambio, funciona en la parte de microonda del espectro.
[3] El horizonte de sucesos es la superficie alrededor de un agujero negro, donde los sucesos al interior no pueden afectar al observador externo. Se puede considerar como el “punto de no retorno” para un astronauta que esté cayendo.

Fuentes: ALMA, ESO