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Nueva herramienta de ALMA permitirá sondear agujero negro supermasivo
Miércoles 04 de Junio de 2014

El Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) incrementó considerablemente sus capacidades luego que científicos instalaran un reloj atómico ultra preciso en el Sitio de Operaciones del Conjunto (AOS, en su sigla en inglés), donde se encuentra la supercomputadora del observatorio: el Correlacionador. Con el nuevo reloj, ALMA podrá sincronizarse con una red internacional de centros de radioastronomía llamada Event Horizon Telescope (EHT).

Una vez montado, el EHT —del cual ALMA será la instalación más sensible— formará un telescopio a escala mundial con la capacidad de aumento necesaria para observar detalles en los límites del agujero negro supermasivo situado en el centro de la Vía Láctea.

No obstante, para que ALMA pueda aportar sus funcionalidades revolucionarias para esta observación y otras similares, primero tendrá que transformarse en otro tipo de instrumento, conocido como phased array, o ‘conjunto en fase’. Así, ALMA utilizará sus 66 antenas para funcionar como si fuera una sola antena de 85 metros de diámetro. Esa funcionalidad, sumada a una sincronización horaria ultra precisa, permitirá a ALMA mantenerse conectado a otros observatorios.

En ese sentido, se alcanzó un importante hito recientemente cuando el equipo científico llevó a cabo lo que se consideró un verdadero «trasplante de corazón» en el telescopio al instalar un reloj atómico fabricado a medida y alimentado por un máser de hidrógeno. Este nuevo instrumento usa un método similar a la acción de un láser para amplificar un tono puro y único, cuyos ciclos se cuentan para producir un tic-tac extremadamente preciso.

Obtención de imágenes de un agujero negro. Shep Doeleman, investigador jefe del ALMA Phasing Project y director asistente del Haystack Observatory de MIT, habla sobre los emocionantes hallazgos que se realizarán con el Event Horizon Telescope potenciado por ALMA. Crédito: NRAO/AUI/NSF

Una vez que el máser esté totalmente conectado al sistema electrónico de ALMA, se desconectará y guardará como repuesto el instrumento de medición original: un reloj que funciona con gas de rubidio.

Shep Doeleman, investigador jefe Proyecto de Puesta en Fase de ALMA y director asistente del Observatorio Haystack del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), participó en la instalación del máser por videoconferencia. "Una vez terminada la sincronización, ALMA usará la medición ultra precisa de este nuevo reloj atómico para unirse al Event Horizon Telescope —cuyo nombre es muy pertinente— y pasará a ser la instalación más sensible del conjunto, al aumentar su sensibilidad en 10 veces", sostuvo.

Expandiendo los límites de la astronomía

Los agujeros negros supermasivos están presentes en el centro de todas las galaxias y tienen una masa equivalente a millones o incluso miles de millones de veces la masa de nuestro Sol. Estos mastodontes que curvan el espacio tienen tanta masa que nada escapa a su fuerza gravitacional, ni siquiera la luz. Comprender cómo un agujero negro devora materia, produce chorros de partículas y energía y distorsiona el tiempo y el espacio es uno de los mayores desafíos de la astronomía y de la física.

El agujero negro ubicado en el centro de la Vía Láctea es un monstruo de 4 millones de masas solares y se encuentra a cerca de 26.000 años-luz de la Tierra en dirección de la constelación de Sagitario. Como los telescopios ópticos no pueden observarlo en forma adecuada debido a que está tapado por densas nubes de polvo y gas, observatorios como ALMA, que captan las ondas más largas de longitudes milimétricas y submilimétricas, son fundamentales para estudiar sus propiedades.

El nuevo reloj atómico de máser de hidrógeno de ALMA está listo para ser instalado. El equipo a cargo del proyecto está conformado por Jay Blanchard, de la Universidad de Concepción (izquierda); Christophe Jacques, de NRAO (primer plano); Jack Meadows, de NRAO (fondo); y Neil Nagar, de la Universidad de Concepción (derecha, parcialmente tapado). Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), C. Padilla.

Los agujeros negros supermasivos pueden estar relativamente quietos o agitarse y producir chorros increíblemente potentes que expiden partículas subatómicas en el espacio intergaláctico, fenómeno que, llevado al paroxismo, se asemeja a los quásares observados en los albores del Universo. El combustible de estos chorros los aporta el material absorbido, que se calienta extremadamente a medida que se acerca al centro en un movimiento en espiral. Los astrónomos esperan observar el agujero negro de nuestra galaxia en pleno proceso de alimentación con el fin de comprender mejor cómo los agujeros negros afectan la evolución de nuestro Universo e inciden en el desarrollo de las estrellas y galaxias.

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.

Con la obtención de imágenes de alta resolución del llamado horizonte de sucesos, también podríamos comprender mejor cómo el Universo rigurosamente ordenado de Einstein coincide con el caótico cosmos de la mecánica cuántica, dos sistemas de descripción del mundo físico absolutamente contradictorios en el más mínimo detalle.

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.

Jay Blanchard, de la Universidad de Concepción (izquierda) y Christophe Jacques, de NRAO (derecha), comienzan a instalar 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.

Ciencia de la sombra

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 depende 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.

Los cálculos indican que se requiere una resolución de 50 microarcosegundos (cerca de 2000 veces más precisa que la del telescopio espacial Hubble) para obtener una imagen de la sombra, lo que equivale a leer la fecha en una moneda de veinticinco centavos de dólar desde Nueva York a Los Ángeles. Esta increíble capacidad de resolución podrá alcanzarse con el Event Horizon Telescope gracias a ALMA.

Christophe Jacques, de NRAO, revisa el cableado del nuevo reloj atómico de máser de hidrógeno de ALMA durante la instalación. Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), C. Padilla.

Calendario de desarrollo y financiamiento

La planificación del ‘Conjunto ALMA en Fase’ (Phased ALMA Array), comenzó en 2008, impulsada por la voluntad de obtener imágenes de un agujero negro y realizar otras observaciones hasta ahora imposibles. Los requisitos necesarios para integrar el conjunto ALMA a los demás observatorios fueron entregados desde un principio al equipo de ingeniería de ALMA para que la implementación del plan de puesta en fase no afectara a su construcción y operación.

El Phased ALMA Array es financiado principalmente por la Fundación Nacional de Ciencias de Estados Unidos. Financiamiento adicional es aportado por Norteamérica al Fondo de Desarrollo de ALMA, y por un grupo internacional de instituciones a través del Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics, el Max Planck Institute for Radio Astronomy, la Universidad de Concepción, la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia, y la Toray Science Foundation. El proyecto, que comenzó a recibir financiamiento en 2011, tuvo su diseño preliminar revisado y aprobado por el directorio de ALMA en 2012 y luego pasó por la etapa de revisión crítica de diseño en 2013.

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.

Los científicos terminan la instalación del nuevo máser de hidrógeno de ALMA. Arrodillados, de izquierda a derecha: Enrique García, ALMA; Neil Nagar, Universidad de Concepción; Jay Blanchard, Universidad de Concepción; Christophe Jacques, NRAO. De pie: Jack Meadows, NRAO. Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), C. Padilla.

Tecnología e ingeniería

ALMA fue diseñado para trabajar como un interferómetro, es decir, un telescopio compuesto de muchos elementos, donde cada par de antenas forma una línea de base y se pueden formar hasta 1.291 líneas de base por un total de hasta 16 kilómetros de largo.

El conjunto puesto en fase, sin embargo, funciona de otra manera: simplemente se combinan las señales de todas las antenas. Para ello, se están construyendo componentes electrónicos y equipos informáticos especiales en el Laboratorio Central de Desarrollo del Observatorio Radio Astronómico Nacional de Estados Unidos, ubicado en Charlottesville (Virginia). Estos nuevos circuitos se instalarán en el Correlacionador de ALMA, una supercomputadora que hace funcionar el telescopio y combina las señales de las antenas.

A continuación, se agregarán marcas de tiempo a las señales del conjunto puesto en fase gracias al nuevo reloj atómico (el máser de hidrógeno fabricado y probado por el Haystack Observatory del MIT) para luego enviar los datos a un centro de procesamiento y allí combinarlos y sincronizarlos a la perfección con las señales de otros telescopios.

Los cables de fibra óptica usados para transportar las señales en las instalaciones de ALMA fueron fabricados por el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ, en su sigla en inglés), mientras que los dispositivos registradores de alta velocidad que recabarán el torrente de datos procedentes del conjunto ALMA puesto en fase fueron diseñados por el Haystack Observatory. Los software necesarios para usar el nuevo sistema de puesta en fase, en tanto, fueron desarrollados por distintas instituciones que participan en el proyecto.

El equipo de instalación del máser de ALMA posa para la foto después de haber hecho un buen trabajo. De pie, a la izquierda: Jay Blanchard, Universidad de Concepción. Arrodillados, de izquierda a derecha: Christophe Jacques, NRAO; Neil Nagar, Universidad de Concepción; y Jack Meadows, NRAO. Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), C. Padilla.

Event Horizon Telescope

La extraordinaria capacidad de aumento del Event Horizon Telescope (EHT) se debe a la interconexión de antenas de radio muy distantes entre sí y repartidas por todo el globo para formar un telescopio virtual a escala mundial. Esta técnica, llamada interferometría de línea de base muy larga (VLBI, en su sigla en inglés), es la misma que utilizan los telescopios como el Very Long Baseline Array (VLBA) de NRAO para alcanzar su increíble capacidad de resolución. La diferencia entre las instalaciones VLBI existentes y el EHT es simplemente la gran envergadura de este último en términos de distribución geográfica, su ampliación a las longitudes de onda más cortas y el aporte de un área de observación sin precedentes gracias a la puesta en fase de ALMA.

"Al combinar las antenas de radio que captan ondas de longitudes milimétricas y submilimétricas en todo el mundo, el Event Horizon Telescope se convierte en un instrumento fundamentalmente nuevo con el poder de aumento más grande que se haya alcanzado a la fecha" - afirma Doeleman. "Encabezado por ALMA, el EHT allanará un nuevo camino en la investigación de los agujeros negros y echará luces sobre uno de los pocos lugares del Universo donde las teorías de Einstein posiblemente se estrellen: el horizonte de sucesos".

Equipo de instalación del máser de ALMA frente a un pequeño grupo de antenas de ALMA. De izquierda a derecha: Jay Blanchard, Universidad de Concepción; Jack Meadows, NRAO; Neil Nagar, Universidad de Concepción; y Christophe Jacques, NRAO. Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), C. Padilla.

Información Adicional
La instalación astronómica internacional ALMA es una asociación entre Europa, Norteamérica y Asia del Este en cooperación con la República de Chile. La construcción y las operaciones de ALMA son conducidas en nombre de Europa por ESO, en nombre de Norteamérica por el Observatorio Radio Astronómico Nacional (NRAO), que es operado por Associated Universities, Inc. (AUI), y en nombre de Asia del Este por el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ). El Joint ALMA Observatory (JAO) tiene a su cargo la dirección general y la gestión de la construcción, como también la puesta en marcha y las operaciones de ALMA.

La Fundación Nacional de Ciencias de EE.UU. (NSF) es una entidad federal independiente que financia proyectos fundamentales de investigación y educación en todos los campos de la ciencia y la ingeniería.

Contacto:

Valeria Foncea
Directora de Comunicaciones y Educación
Observatorio ALMA
Santiago, Chile
Tel: +56 2 2467 6258
Cel: +56 9 7587 1963
Correo electrónico: vfoncea@alma.cl