Creando materia del vacรญo cuรกntico

Nuestra idea sobre ยซel vacรญoยป ha cambiado mucho en las รบltimas dรฉcadas. De hecho, tal y como hoy lo entendemos, el vacรญo estรก lleno. Pero ยฟlleno de quรฉ? ยฟQuรฉ es el vacรญo? ยฟCรณmo surge la Radiaciรณn de Hawking en agujeros negros? ยฟQuรฉ es la nada?

En esta nueva entrada del blog, hablaremos sobre algunas ideas chulรญsimas de la Teorรญa Cuรกntica de Campos (QFT, para los amigos), el lienzo sobre el que se han pintado los cuadros mรกs exitosos de la Fรญsica Moderna. Mรกs que una mera teorรญa, QFT es una ยซmรกquina de hacer teorรญasยป. Es el marco comรบn con el que hemos conseguido unificar tres de las cuatro interacciones bรกsicas de la Naturaleza. No estรก de mรกs conocer (aunque sea de forma bรกsica) algunos de sus entresijos, ยฟno? ยกVamos a ello!

Primero, debo presentaros a un viejo amigo de la Fรญsica: el Oscilador Armรณnico. Estรก en tooodas partes (ยกhasta es un podcast chulรญsimo, el Oscilador Armรณnico!). En su versiรณn cuรกntica, el oscilador armรณnico estรก condenado a no poder detenerse nunca (de lo contrario, violarรญa el Principio de Incertidumbre, ยฟverdad?)

 

Segรบn la QFT, todo el espacio vacรญo estรก permeado por ยซcampos cuรกnticosยป. Estos campos son entidades extensas, formadas por una infinidad de minรบsculos osciladores cuรกnticos acoplados. En el vacรญo, esos osciladores tienen su mรญnima energรญa posible.

 

OJO, porque esto que os estoy contando es una simplificaciรณn. En la QFT ยซde verdadยป, hacemos un paso al lรญmite llamado ยซsegunda cuantizaciรณnยป, de la que no hablaremos aquรญ. Pero sigamos con el tema, porque vienen cosas muy chulas. Como esos infinitos ยซosciladorcitosยป no pueden estarse quietos, su energรญa mรญnima no es cero, lo que significa que la energรญa total de un campo cuรกntico… ES INFINITA. Este es el primero de los infinitos que surgen en QFT (y el mรกs fรกcil de salvar, pero no en esta entrada del blog; esa es una historia que se deberรก contar en otra ocasiรณn).

Cuando los ยซosciladorcitosยป de un campo se excitan, esas excitaciones se ven como ยซpartรญculasยป. O sea, que los electrones (por ejemplo) no son mรกs que diferentes excitaciones de un รบnico ยซcampo electrรณnยป. Y estas excitaciones se mueven ยซpasandoยป de un osciladorcito a otro.

Para hacer cรกlculos en QFT, usamos herramientas llamadas ยซoperadores cuรกnticosยป, que ยซactรบanยป (matemรกticamente hablando) sobre los estados de los campos y nos ยซdevuelvenยป la predicciรณn de cualquier cosa que queramos medir. Un operador muy chulo es el ยซOperador Nรบmeroยป. Ese operador nos dice cuรกntas partรญculas reales hay en un campo determinado (por ejemplo, cuรกntos electrones tenemos). Si aplicamos el Operador Nรบmero al vacรญo, el resultado es… ยกCERO! O sea, que en el vacรญo no hay partรญculas reales.

ยกPero eso no significa que no haya partรญculas! La energรญa del vacรญo (esa energรญa no nula que deben tener los campos) permite que, continuamente, estรฉn apareciendo y esfumรกndose excitaciones (o sea, partรญculas) durante tiempos muy cortos. Esas son las partรญculas virtuales.

Hay incluso partรญculas virtuales que existen en ยซbucles cerradosยป, algo que siempre me ha fascinado cuando me he puesto a reflexionar sobre ello. Un sรญmil para los fans de Regreso al Futuro: ยฟquiรฉn compuso la famosa canciรณn de Chuck Berry?

ยกAbrochaos los cinturones, porque ahora viene algo muy fuerte! Espero que mi nivel divulgativo estรฉ a la altura de la belleza de lo que estoy a punto de explicaros. ยกViene algo brutal!

El espacio y el vacรญo cuรกntico van cogidos de la mano. En tanto en cuanto en un espacio pueda haber partรญculas (y eso serรก asรญ en todo espacio que se precie), necesariamente deberรก haber campos cuรกnticos ยซllenรกndolo todoยป (ya que, como recordarรกs, las partรญculas no son mรกs que la excitaciรณn de los campos).

Si ahora cambiamos (o sea, estiramos o curvamos) el espacio-tiempo donde existe el vacรญo, cambiarรก tambiรฉn su Operador Nรบmero, lo que podrรญa producir… ยกpartรญculas REALES a partir del vacรญo! O sea, ยกque estirando el espacio podemos ยซcrear algoยป a partir de ยซla nadaยป! ยฟY de dรณnde sale la energรญa para que esas partรญculas reales puedan ser arrancadas del vacรญo? Pues del mecanismo que estรฉ produciendo ese estiramiento del espacio-tiempo. De ahรญ es de donde el vacรญo ยซdrena energรญaยป para producir partรญculas reales.

Imaginemos una nube de gas que colapsa directamente a un agujero negro. El espacio-tiempo cerca del horizonte de sucesos es muy distinto entre antes y despuรฉs de nacer el agujero. Por lo tanto, el nuevo Operador Nรบmero nos darรก muchas partรญculas reales creadas rozando el horizonte.

Esas partรญculas escaparรกn de allรก y, desde lejos, las veremos como un tenue y constante flujo de radiaciรณn (constante, porque el tiempo estรก prรกcticamente congelado en el lugar de donde proviene esa radiaciรณn). Tendremos, pues, ante nosotros, la famosรญsima Radiaciรณn de Hawking.

En su famoso libro ยซHistoria del Tiempoยป, Hawking describiรณ genialmente cรณmo nace esa radiaciรณn, pero sin necesidad de hablar de ยซoperadores nรบmeroยป actuando sobre estados de vacรญo en espacios de Fock. No obstante, esta otra descripciรณn tambiรฉn mola mucho.

Hay otras formas de ยซjugarยป con el vacรญo para producir partรญculas reales. Una muy fรกcil, y que podรฉis hacer ahora mismo, es, simplemente, acelerar. Al hacerlo, vuestro Operador Nรบmero predice la apariciรณn de una radiaciรณn, llamada ยซde Unruhยซ, que es prima-hermana de la de Hawking.

Ojo, he dicho ยซprima-hermanaยป (no son lo mismo, aunque estรกn relacionadas). Si pisas el acelerador de tu coche, mientras dure la aceleraciรณn, se estarรก invirtiendo una รญnfima cantidad de energรญa en ยซarrancar partรญculasยป al vacรญo, que solo tรบ (el sistema acelerado) podrรกs detectar.

ยกQuรฉ bonita es la Teorรญa Cuรกntica de Campos! ยกY aรบn hay muchรญsimo mรกs que contar sobre el vacรญo cuรกntico! Lamentablemente, darรญa para una entrada de blog demasiado larga. Habrรก que dosificar la informaciรณn. ยกHasta la prรณxima!

 

Un oรญdo interferomรฉtrico

ยกOstras! ยกHace ya bastante tiempo que no publico en el blog! Entre las clases y los proyectos de investigaciรณn, lo tengo bastante abandonado.

En esta nueva entrada, voy a proponeros un experimento muy interesante. ยฟSabรญais que vuestro oรญdo funciona de forma similar al instrumento que usamos para fotografiar agujeros negros? ยกSรญ, asรญ es! Vuestro oรญdo es como un pequeรฑo Event Horizon Telescope, salvando las (grandes) distancias y algรบn que otro detallito. ยฟQue no sabรฉis de quรฉ os estoy hablando? Pues os lo voy a explicar a travรฉs de un experimento que os dejarรก boquiabiertos y que podรฉis hacer AHORA MISMO con unos auriculares. ยกVamos allรก!

 

En este enlace, podรฉis encontrar una pequeรฑa grabaciรณn que he preparado especialmente para vosotros:

https://mural.uv.es/imarvi/Videos/TEST_GG.mp4

 

Cargad la grabaciรณn (si vuestro navegador no la reproduce, deberรฉis descargรกrosla) y seguid los siguientes pasos:

  1. Escuchad el audio solamente con el auricular izquierdo. Oirรฉis un ruido constante; uniforme.
  2. Repetid la escucha con el auricular derecho. Solamente el derecho. Oirรฉis bรกsicamente lo mismo, un suave ruido constante.
  3. Y ahora es cuando viene la magia. ยกEscuchad el audio con ambos oรญdos y preparaos para un ligero mareo!

Como el ruido de cada auricular es constante (recordad los pasos 1 y 2 del experimento), ese ยซbatirยป que oรญs en vuestra cabeza cuando usรกis ambos oรญdos NO puede venir de los propios auriculares. ยกO sea, que se estรก generando DENTRO de vuestro cerebro! ยกEsa es la รบnica explicaciรณn! ยกPensadlo bien!

El audio que estรกis escuchando es un ejemplo de ยซsonido binauralยป, que he generado a partir de ruido blanco aรฑadiendo un minรบsculo ยซefecto Doppler artificialยป entre ambos canales.

Pues bien, los telescopios VLBI, con los que fotografiamos agujeros negros, hacen bรกsicamente lo mismo, pero observando con ondas de radio y usando muchas mรกs ยซorejasยป (ยกseparadas por miles de kilรณmetros!). Con esas ยซorejas de radioยป, medimos el retraso de las seรฑales que llegan a distintos puntos de la Tierra desde el espacio exterior… y con precisiones de hasta billonรฉsimas de segundo.

 

 

ยกY no solo eso! Imaginad que oรญs a varias personas hablando a la vez. Si cerrรกis los ojos y os concentrรกis en cada una, vuestro cerebro podrรก identificar la posiciรณn de cada hablante por separado. ยกY justo eso mismo hacemos para reconstruir imรกgenes de agujeros negros!

Suponed que la imagen de un agujero negro estรก formada por muchas fuentes puntuales. Todas juntas, ยซhablandoยป a la vez, generan la emisiรณn radio que llega a la Tierra. Pues bien, el EHT mide los retrasos diferenciales entre esas fuentecitas al nivel de unos pocos femtosegundos.

ยกEso es la mil-billonรฉsima parte de un segundo! Tal proeza se la debemos a una herramienta matemรกtica muy รบtil llamada ยซTransformada de Fourierยป, con la que podemos separar a los distintos ยซhablantesยป que forman la imagen del agujero negro. ยฟA que la Radioastronomรญa mola?

Asรญ que ya sabรฉis: si alguna vez volvรฉis a pensar que no se os dan bien las mates, acordรกos de que vuestro cerebro estรก correlacionando datos y calculando senos y cosenos continuamente, en tiempo real, mientras lo pensรกis.

 

Un tour por el Very Large Array

ยฟMe acompaรฑรกis a un tour por uno de los radiotelescopios mรกs emblemรกticos del mundo? ยกVenga! Voy a explicaros algunas cosas sobre el VLA (Very Large Array) del Observatorio Nacional de Radioastronomรญa de Estados Unidos, el NRAO.

El Very Large Array (VLA) en su configuraciรณn compacta.

He tenido la suerte de visitar el VLA algunas veces durante mi carrera, y en todas ellas he vuelto a casa un poco mรกs enamorado de la Radioastronomรญa. Aquรญ me tenรฉis en mi primera vez, en una รฉpoca en la que aรบn no existรญan ni twitter, ni facebook, ni los telรฉfonos inteligentes.

Las antenas del VLA observan todas juntas, formando lo que llamamos un ยซinterferรณmetroยป, con el que podemos emular un รบnico telescopio de tamaรฑo similar al ocupado por todas las antenas. Ademรกs, el VLA no es estรกtico, sino que las posiciones de las antenas se pueden cambiar. ยกWow!

Entre las antenas, hay vรญas por las que circulan unos vehรญculos especiales que las van moviendo de sitio para generar distintas ยซconfiguraciones interferomรฉtricasยป. Desde la mรกs compacta (con las antenas mรกs juntas) a la mรกs extensa, que es la que aporta imรกgenes mรกs nรญtidas.

Fijaos quรฉ foto mรกs impactante. Ahรญ es donde hacen el mantenimiento y las reparaciones de las antenas. Tened en cuenta que estas preciosidades tienen un diรกmetro de 25 metros.

La primera vez que visitรฉ el VLA, pude ver los prototipos de dos antenas de ALMA que se estaban poniendo a prueba. Me parece que uno de esos prototipos es, actualmente, el Telescopio de Groenlandia (GLT), que es miembro del EHT y de la GMVA. ยกQuiรฉn me lo iba a decir en aquel momento!

Prototipo de antenas de ALMA.

ยกVenga, vamos a entrar a una de las antenas del VLA! Aquรญ tenรฉis una vista desde abajo, donde se aprecia uno de los puntos de anclaje. Todo el cableado va bajo tierra hasta el correlador, donde se sintetiza en tiempo real ese ยซsupertelescopioยป.

Una vez dentro, (esta es la parte inferior), la escena se hace un pelรญn agobiante, con tanto cable, placas, chips y ordenadores.

Interior de la parte inferior de la montura.

ยกSigamos subiendo!

Un poco mรกs arriba nos encontramos con el motor de elevaciรณn. Al igual que el de acimut, es extraordinariamente preciso, ademรกs de relativamente rรกpido. Estas antenas son maravillosas.

En estos momentos, nos encontramos justo debajo del ยซplatoยป principal. Esas bocinas que vรฉis son receptores sensibles a distintas frecuencias. El VLA usa una estrategia parecida a la de ALMA para poder cambiar de frecuencia de observaciรณn de forma muy รกgil.

Bรกsicamente, la luz llega al plato principal y se dirige al reflector secundario (situado mรกs arriba). Entonces, dependiendo de cรณmo se oriente este reflector, la luz acabarรก llegando a un receptor distinto. Podemos cambiar receptor cada medio minuto, permitiendo experimentos muy interesantes. Podรฉis ver esto de forma esquemรกtica en la animaciรณn de aquรญ abajo.

Esquema del sistema ยซFast Frequency Switchingยป del VLA

ยกY ahora viene la parte mรกs bonita! ยกSubiremos al plato principal!

ยกPrecioso! Mirad las bocinas de los distintos receptores. Las mรกs grandes corresponden a las longitudes de onda mรกs largas (o sea, las frecuencias mรกs bajas).

En la foto de arriba podรฉis ver las ยซbocinasยป de los distintos receptores. En la de abajo, os muestro el reflector secundario.

ยกBonitas vistas desde allรก arriba!

Si habรฉis visto la peli de ยซContactยป, seguro que esta Sala de Control os es familiar. Si el tiempo me lo permite, en el futuro puedo prepararos algunas entradas mรกs en el blog sobre esos telescopios que hay fotografiados en la pared de la Sala de Control:

ยกQuรฉ lujazo fue tener al mismรญsimo Barry G. Clark explicรกndonos el antiguo correlador del VLA! Ahora tienen uno nuevo (un maquinรณn formidable, llamado ยซWIDARยป).

Barry G. Clark junto a la antigua electrรณnica del correlador de VLA.

Muy cerquita de allรญ, tenemos la ยซRed de Demostraciรณn de Onda Largaยป (LWDA), parte de un proyecto mรกs grande (la LWA), que podrรญamos considerar una ยซversiรณn lightยป del SKA-low para el hemisferio norte.

A modo de curiosidad, el sistema que controla ese tinglado se llama, si no recuerdo mal, ยซSkyNetยป. ยกMira que nos gusta el riesgo a los radioastrรณnomos!

ยกY se acabรณ la visita! Me he dejado un montรณn de cosas en el tintero, pero tampoco se puede estirar tanto una entrada de blog. Ya es hora de volver a Socorro, para cenarnos unos tacos en el ยซEl Chili Enrolladoยป.
Country roads, take me home!

Si querรฉis saber mรกs, podรฉis encontrar un montรณn de informaciรณn extra en la pรกgina web de NRAO:


Web del National Radio Astronomy Observatory

โ€ฆ ยกY no olvidรฉis tener cuidado con las serpientes!

El eslabรณn perdido de los agujeros negros

ยกLo hemos hecho! Hemos encontrado ยซel eslabรณn perdidoยป de la Astrofรญsica Observacional de agujeros negros: el nexo que une el corazรณn de un agujero negro (su ยซsombraยป) con el chorro relativista que, de una forma fascinante, escapa de allรญ casi a la velocidad de la luz. ยกVamos a ver de quรฉ va esto!

Este fantรกstico resultado, que se publica hoy en la revista Nature, es la cumbre de aรฑos de trabajo de un fabuloso equipo de VLBI, liderado por RuSen Lu (Univ. de Shanghai), en el que tengo la fortuna de encontrarme. Esta nueva imagen es un complemento ideal de la que se publicรณ, en 2019, por parte del Telescopio de Horizonte de Sucesos (el ยซEHTยป, por sus siglas en inglรฉs). ยกLas dos imรกgenes, juntas, nos aportan mucha informaciรณn sobre lo que estรก ocurriendo cerca del horizonte de sucesos!

M87* a diferentes escalas: desde millones de aรฑos-luz (Cรบmulo de Virgo) hasta pocos dรญas-luz (la sombra del agujero negro central)

ยฟPor quรฉ este resultado es tan importante? Durante dรฉcadas, el modelo mรกs aceptado de Nรบcleo Activo de Galaxia (AGN) es el de un agujero negro supermasivo, que traga material a travรฉs de un ยซdisco de acreciรณnยป, expulsando parte de dicho material a travรฉs de un ยซchorro relativistaยป. Hasta ahora, no tenรญamos una imagen directa del nexo de uniรณn entre el disco y el chorro, habiendo varias cuestiones abiertas: ยฟEse chorro nace cerca del horizonte de sucesos o mรกs lejos, en el disco? ยฟDe dรณnde sale la energรญa para expulsar ese material a tan altas velocidades?

Y ahora, por fin, tenemos una imagen donde se ve, de forma directa, el maravilloso nexo entre la sombra de un agujero negro supermasivo y su chorro relativista asociado. ยกEstamos viendo la luz que nos llega del potente motor que hay en el mismรญsimo ยซcorazรณn de la bestiaยป!

La imagen de M87* del EHT nos muestra un anillo de luz, originado (en buena parte) por rayos que estuvieron orbitando al agujero negro. Esa imagen estรก un poco ยซcontaminadaยป por el disco de acreciรณn. Pero, ยฟpor quรฉ no vemos tambiรฉn el chorro relativista en la imagen del EHT?

ยฟDรณnde estรก el chorro en la imagen del EHT? ยฟPor quรฉ no se ve?

La respuesta es complicada. Por una parte, el EHT tiene ยซdemasiada resoluciรณnยป para ver el chorro, que es muy extenso. Por otra, ese chorro brilla muy poco a la frecuencia a la que observa el EHT; brilla mucho mรกs a frecuencias mรกs bajas, al igual que el propio disco de acreciรณn.

Cada parte de M87* domina a diferentes frecuencias. Para ver mejor disco y chorro, debemos ir a frecuencias bajas, y si queremos ver mejor el anillo, ir a frecuencias altas. De hecho, este aรฑo el EHT ha observado a una frecuencia un 50% mayor que la del 2019. ยกSaldrรก un anillo precioso!

El anillo del EHT, hecho de la luz que orbita al agujero negro, nos habla de la curvatura espacio-temporal cerca del horizonte (o sea, nos permite poner a prueba la Relatividad General). No obstante, el disco y el chorro nos hablan de cรณmo se comporta el plasma en esa regiรณn (o sea, la ยซMagnetohidrodinรกmica Relativistaยป).

Las distintas componentes que forman M87*

Asรญ pues, si observamos M87* a frecuencias mรกs bajas que las del EHT, pero manteniendo una resoluciรณn casi tan alta como la suya, podremos cazar varios pรกjaros de un tiro: veremos sombra, disco y chorro, todo en una misma imagen. Pero ยฟhay algรบn instrumento capaz de hacer esto?

ยกLa respuesta es sรญ! Se trata de la Red Global de VLBI milimรฉtrico (GMVA), que en estas observaciones contรณ con dos aliados fundamentales: el telescopio ALMA y el Gran Telescopio de Groenlandia (GLT). En ambos casos, mis algoritmos de calibraciรณn ayudaron a su inclusiรณn en la Red.

La Red Global de VLBI Milimรฉtrico (GMVA). Crรฉdito: Kazunori Akiyama

Imaginad nuestras caras de alegrรญa cuando vimos que, con la sensibilidad y la resoluciรณn extra que nos dan ALMA y el GLT, estas observaciones nos permitieron verโ€ฆ ยกuna sombra central en M87*, al igual que con el EHT!โ€ฆ ยกPero con el fantรกstico aรฑadido extra del chorro relativista!

El anillo que vemos con el EHT, rodeando la sombra, nos habla mayormente del anillo de fotones (ยกRelatividad General!), mientras que la imagen de la GMVA (mostrada en verde en esta animaciรณn) tambiรฉn nos da mucha emisiรณn del disco y el nacimiento del chorro (ยกMagnetohidrodinรกmica Relativista!).

M87 vista por el EHT (naranja) y por la GMVA (verde).

Un resultado curioso es que la imagen central que vemos con la GMVA es mรกs grande que la del EHT. Esto se debe a un fenรณmeno llamado ยซautoabsorciรณnยป, que hace que la parte interna del disco sea como una ยซparedยป, que no deja escapar a su propia radiaciรณn, a la frecuencia de la GMVA.

Asรญ pues, la parte central, donde se encuentra el anillo fotonesfรฉrico, se ve mejor a frecuencias altas, como la del EHT. La imagen de la GMVA casi no contiene brillo de la fotonesfera, sino que estรก dominada por la emisiรณn de la parte del disco que no estรก ยซautoabsorbidaยป.

Otro resultado curioso es que el chorro no es uniforme en toda su extensiรณn, sino que parece estar formado por tres componentes estrechas: una central (que llamamos ยซespinaยป) y dos a los estremos (el ยซbordeยป). Esto nos da mucha informaciรณn sobre el mecanismo de producciรณn del chorro.

Esta estructura ยซtripleยป nos indica, por ejemplo, que el agujero negro tiene una rotaciรณn nada despreciable (puede que mรกs de la mitad de su mรกximo permitido) y que el chorro estรก producido, seguramente, por el llamado ยซmecanismo de Blandford-Znajekยป (BZ). Ahora os cuento:

Segรบn el mecanismo BZ (el que creemos que estรก teniendo lugar en M87*), cuando un campo magnรฉtico permea la ยซergosferaยป de un agujero negro (la regiรณn donde el espacio es ยซarrastradoยป por la rotaciรณn del agujero, a velocidades superlumรญnicas para observadores distantes) puede succionar energรญa del agujero negro (es como si el espacio, al ser ยซarrastradoยป por el agujero negro, fuese un conductor que transfiere energรญa desde el agujero hasta el campo magnรฉtico) e inyectarla en la materia que estรก cayendo por allรก, permitiendo que รฉsta escape formando el famoso chorro.

El mecanismo BZ predice una forma para la base del chorro, pero รฉsta difiere un poco de la de la imagen de la GMVA. ยกParece que la realidad no encaja del todo con el mecanismo BZ! Una posible explicaciรณn serรญan ยซvientosยป, debidos al disco o a la corona, que podrรญan deformar el chorro.

Estos vientos tambiรฉn pueden jugar un papel en la colimaciรณn del chorro en esta regiรณn crรญtica, tan cercana al agujero negro. En cualquier caso, esta interpretaciรณn deberรก corroborarse con observaciones futuras. ยฟQuรฉ? ยฟCรณmo os habรฉis quedado? ยฟA que la Radioastronomรญa mola?

ยกHasta luego!

Una mirada a los confines del espacio y el tiempo

ยกEl tiempo vuela! Han pasado 4 aรฑos desde que la Colaboraciรณn Event Horizon Telescope (EHT, el Telescopio de Horizonte de Sucesos) mostrรณ al mundo la primera imagen de un agujero negro. Una publicaciรณn histรณrica, de la que tengo la enorme fortuna de ser coautor ยกEs todo un orgullo formar parte de este fabuloso equipo!

Estas efemรฉrides se merecen una entrada en el blog. ยฟQuรฉ nos muestra realmente esta imagen? ยฟQuรฉ hemos aprendido de ella? En estas lรญneas que siguen, tratarรฉ de ahondar un poquito en estas preguntas.

Esta es la primera imagen de las inmediaciones de un horizonte de sucesos. Es una confirmaciรณn directa de que en el Universo existen objetos de gravedad tan extrema, que pueden doblegar las trayectorias de la luz hasta obligarla a orbitar a su alrededor. Imaginad. ยกร“rbitas hechas de luz! No de planetas ni asteroides… sino de rayos de luz.

Fotonesfera de un agujero negro: los fotones (rayos de luz) orbitan muy cerca del horizonte de sucesos.

La regiรณn del espacio donde existen esas รณrbitas hechas de luz es lo que llamamos la ยซfotonesferaยป del agujero negro. No debรฉis confundir esto con una ยซfotosferaยป, que tiene un significado muy diferente en Astronomรญa: una fotosfera es la regiรณn donde se produce (mayormente) la luz que recibimos de un astro.

La luz que orbita un agujero negro lo hace de forma inestable. Este tipo de ยซรณrbitas inestablesยป no existen en la Mecรกnica Newtoniana. Bรกsicamente, si perturbamos (o sea, damos un empujoncito) un cuerpo con una รณrbita circular, el cuerpo pasarรก a tener una รณrbita elรญptica muy parecida a la circular que tenรญa originalmente. No obstante, en una รณrbita cerrada inestable, cualquier perturbaciรณn acabarรก, al poco tiempo, rompiรฉndola por completo. Eso significa que esas รณrbitas lumรญnicas pueden quebrarse en cualquier momento, dejando escapar a los rayos de luz que habรญa allรญ atrapados, para que comiencen una eterna odisea vagando por el espacio intergalรกctico.

Algunos de esos afortunados rayos de luz se dirigirรกn rumbo a la Tierra, llevando codificada en sus entraรฑas la informaciรณn necesaria para que el Event Horizon Telescope (EHT) pueda reconstruir la imagen de aquel lugar donde estuvieron atrapados mรกs de 50 millones de aรฑos atrรกs.

Disposiciรณn de los radiotelescopios del EHT que participaron en la observaciรณn de M87*.

La imagen se compone de dos partes: una viene directamente del disco de materia que alimenta al agujero negro (el ยซdisco de acrecimientoยป). La otra viene del anillo de luz formado por los rayos de la fotonesfera que rompieron sus รณrbitas alrededor de ese abismal pozo gravitatorio.

Midiendo el tamaรฑo del anillo (y conociendo la masa de M87* y su distancia a la Tierra), podemos poner a prueba las predicciones mรกs salvajes de la Relatividad General: las que nos dicen cรณmo se mueve la luz cerca del horizonte de sucesos; esa frontera del espacio y del tiempo.

No obstante, dependiendo del modelo usado en los ajustes, el anillo de luz que hay en la imagen de M87* sรณlo representa entre el 10 y el 50% de la imagen total; el resto de la emisiรณn que vemos es ยซcontaminaciรณnยป, debida a la emisiรณn directa del disco de acrecimiento.

Eso complica un poco las cosas, siendo una importante fuente de incertidumbre en la medida del tamaรฑo del anillo. Hay varias formas de disminuir ese error (esa ยซcontaminaciรณnยป del disco). En un par de semanas, os hablarรฉ de la mejor de ellas, junto con unos resultados espectaculares que estamos a puntito de publicar.

Una forma de minimizar el efecto del disco y obtener la seรฑal pura del anillo es imponer (usando tรฉcnicas estadรญsticas avanzadas) que *debe* haber un anillo de luz en los datos del EHT. O sea, que la imagen obtenida ya no serรก completamente agnรณstica a la Relatividad General.

Aunque la imagen publicada por el EHT no presupone absolutamente nada sobre la Relatividad (por lo que es un ยซtest puroยป de la misma), podemos ยซimponerยป la existencia del anillo para exprimir al mรกximo los datos… El precio es que los test resultantes ya no serรกn ยซpurosยป.

El resultado de ese anรกlisis fue un precioso artรญculo del que fui co-firmante: Broderick et al. (2022), donde mostramos la imagen sรบper-resuelta del anillo, dominado por los fotones que orbitaron por detrรกs del agujero antes de iniciar su camino a la Tierra (esos fotones forman lo que llamamos ยซla componente n=1ยป del anillo).

En naranja, se muestra la ยซcomponente n=1ยป del anillo. En violeta, la ยซemisiรณn difusaยป que se sumarรญa al anillo. Dicha emisiรณn vendrรญa, mayormente, del disco de acrecimiento.

Curiosamente, lo que para unas tareas es ruido (el disco de acrecimiento, que no nos deja ver bien el anillo), para otras tareas es justamente la seรฑal que buscas. Un ejemplo es la imagen polarizada de M87*, donde la emisiรณn del disco imprime una preciosa estructura espiral con un montรณn de informaciรณn.

Lo que vemos en esa imagen polarizada es la huella dactilar de la interacciรณn directa entre materia, luz, magnetismo, espacio y tiempo. ยกTodo a la vez y en todas partes! Esa espiral polarizada nos dice que hay un campo magnรฉtico polar atravesando el disco y la ergosfera de M87* (la ergosfera es una regiรณn donde la rotaciรณn del agujero negro arrastra consigo al espacio, obligรกndolo a ยซmoverseยป a velocidades sรบper-lumรญnicas).

Ese campo ayuda a producir un fantรกstico chorro de plasma que surge de allรญ. Pero ยฟcรณmo se forma ese chorro? ยฟPodemos decir algo sobre la creaciรณn de antimateria por esos lares? Son preguntas que iremos atacando poco a poco en el EHT. ยกManteneos a la escucha!

Y lo voy dejando por hoy. ยกNos vemos en la siguiente entrada del blog!

Metsรคhovi III: distancias satelitales al milรญmetro

Acabo de prepararos la รบltima entrada sobre mi visita a Metsรคhovi. Una que seguro que nos os dejarรก indiferentes. ยฟSabรญais que en la actualidad podemos medir la distancia Tierra-Luna (y las distancias a satรฉlites artificiales) con una precisiรณn de un milรญmetro? ยฟCรณmo se hace esto? ยฟY para quรฉ sirve? ยกVamos a ello!

Antes de empezar, os hablarรฉ de unos dispositivos รณpticos muy curiosos, de los que seguramente llevarรฉis algunos en vuestras bicis o cascos; unos dispositivos que, aunque son muy sencillos de entender y construir, hacen posible esta proeza: me refiero a los ยซretroreflectoresยป.

Un retroreflector es un tipo de espejo que tiene la propiedad de reflejar los rayos de luzโ€ฆ justo en la misma direcciรณn desde donde vinieron. ยกยฟCรณmooor?! Pero ยฟesto no contradice a la famosa ยซley de la reflexiรณnยป de Fermat? ยฟCรณmo puede haber espejos que violen esta ley?

En un espejo normal, si te pones frente a รฉl al lado de un amigo, cada uno podrรก ver el reflejo del otro. Variando la direcciรณn en la que miran vuestros ojos, tambiรฉn podrรฉis ver el pelo de vuestro amigo, su ropa, zapatos, etc.

No obstante, si os ponรฉis frente a un retroreflector, cada uno de vosotros solamente podrรก ver sus propios ojos. No habrรก forma de ver nada que no sean vuestros propios ojos, mirรฉis en la direcciรณn en la que mirรฉis en la superficie retroreflectora. Curioso, ยฟverdad?

Una forma de hacer un retroreflector es con tres espejitos puestos en direcciones perpendiculares, tal y como veis en la animaciรณn de abajo. Fijรกos como los rayos de luz vuelven exactamente por donde vinieron. Siempre. Hay otros diseรฑos posibles, como combinando lentes y espejitos.

Aquรญ tenรฉis fotos de unos retroreflectores de microondas que hay en el Observatorio de Metsahovi. Se usan para que los satรฉlites de teledetecciรณn puedan alinear sus medidas con posiciones exactas en la Tierra (son como ยซfarosยป, para que los satรฉlites sepan dรณnde estรกn mirando).

Retroreflectores de microondas, para calibrar las coordenadas de las medidas de satรฉlites de teledetecciรณn.

Puede que los retroreflectores mรกs famosos del mundo sean los que se encuentran en la superficie de la Luna, llevados allรญ por los astronautas de la misiรณn Apollo de la NASA. Aquรญ tenรฉis una foto de estos dispositivos, reciรฉn instalados. ยฟPor quรฉ los pusieron allรญ?

Retroreflectores en la Luna (Misiรณn Apollo de la NASA).

Pues para poder enviar rayos lรกser desde la Tierra y recibirlos siempre de vuelta, independientemente del lugar del mundo desde donde se envรญen. De esa forma, midiendo el tiempo que pasa entre la emisiรณn y la recepciรณn, puede medirse con precisiรณn la distancia a esos espejos lunares.

Gracias a esos espejos, hemos podido medir cรณmo la Luna se estรก alejando de la Tierra, a razรณn de 3.8 centรญmetros por aรฑo. En otra entrada es este blog os hablรฉ de este fenรณmeno y de cรณmo se relaciona con la lenta variaciรณn en la duraciรณn de los dรญas. Pero sigamos hablando de lo que toca hoy.

Ademรกs de en la Luna, tambiรฉn hay satรฉlites artificiales con retroreflectores. El objetivo es lanzar rayos lรกser desde la Tierra para medir la distancia a ellos. Si medimos el tiempo de vuelo del rayo con precisiรณn de billonรฉsimas de segundo, mediremos esas distancias al milรญmetro.

La tecnologรญa usada para estas medidas es formidable. Hace falta generar un rayo lรกser potentรญsimo, y con un control de tiempo al nivel de billonรฉsimas de segundo. Ese lรกser se envรญa al espacio a travรฉs de un telescopio (ya vรฉis; ยกen lugar de recibir luz, esta vez la emite!).

Telescopio de SLR en el Observatorio de Metsรคhovi (Finlandia)

Cuando la luz llega al satรฉlite, el retroreflector la envรญa de nuevo al telescopio que, esta vez, entra en modo normal (observaciรณn) para recibir los pocos fotones que hayan sobrevivido a todo el viaje de ida y vuelta, midiendo su tiempo de llegada con un reloj atรณmico.

Estos telescopios (que actรบan como emisor y receptor del lรกser) deben tener unas monturas muy precisas, para poder ยซcazarยป y seguir a los satรฉlites que pasen por el cielo del observatorio. Pueden apuntar a los satรฉlite con un segundo de arco de precisiรณn, sin requerir calibraciรณn.

Bueno, ยฟy quรฉ ganamos midiendo distancias a satรฉlites con esta precisiรณn? Esta tecnologรญa, llamada ยซSLRยป (Satellite Laser Ranging) permite medir el campo gravitatorio de la Tierra con finรญsimo detalle, detectando incluso posibles anomalรญas en la posiciรณn del Centro de la Tierra.

Fijรกos que el centro geomรฉtrico del geoide terrestre no tiene por quรฉ coincidir con el centro de masas (CM) de la Tierra. De hecho, la diferencia entre ambos puntos estรก contรญnuamente cambiando con el tiempo. Y la tรฉcnica SLR es ideal para detectar ese efecto, en el que influyen factores como la deriva continental, las mareas y las corrientes internas de magma.

Para estudiar la gravedad de la Tierra con este nivel de detalle, descomponemos matemรกticamente nuestro planeta en los llamados ยซarmรณnicos esfรฉricosยป, con los que podemos hacer nuestros cรกlculos gravitatorios de forma sencilla.

Descomposiciรณn de la Tierra en armรณnicos esfรฉricos

Estos armรณnicos esfรฉricos son los mismos que podรฉis ver en un libro de Quรญmica que hable de los orbitales atรณmicos. ยกLas Matemรกticas son Poesรญa! Las funciones con las que describimos la estructura atรณmica pueden usarse para modelar la estructura de nuestro planeta ยกY mucho mรกs!

Estos armรณnicos esfรฉricos tienen, ademรกs, propiedades que los hacen muy รบtiles en Geodesia y, particularmente, en SLR. Por ejemplo, los efectos de marea producidos por la Luna pueden estudiarse de manera mรกs fรกcil si los descomponemos usando estas mismas funciones. Los coeficientes de esta descomposiciรณn (que aportan mucha informaciรณn sobre la elasticidad de nuestro planeta) reciben el bonito nombre de ยซnรบmeros de Loveยป (y no porque los midiera Cupido, sino porque la persona que los definiรณ tenรญa ese interesante apellido).

Pues ya lo veis: con el SLR, podemos medir la gravedad de la Tierra y sus variaciones con precisiones extraordinariamente altas. Incluso podemos detectar efectos post-newtonianos (relativistas). ยกY no os imaginรกis la de cosas que se aprenden midiendo nuestro planeta con tanto detalle!

Metsรคhovi II. Entrando en un radiotelescopio

ยกHola de nuevo! En esta entrada os mostrarรฉ algunos detalles y curiosidades sobre cรณmo es un radiotelescopio por dentro. En concreto, este que estรกis viendo en la foto de abajo, la antena del sistema VGOS, en el Observatorio Radioastronรณmico de Metsรคhovi.

Telescopio VGOS en el Observatorio de Metsรคhovi (Finlandia).

Estas antenas reflejan la diferencia entre astrรณnomos y geรณdetas: mientras unos queremos las antenas grandes para captar fuentes dรฉbiles, los otros las quieren pequeรฑas y rรกpidas, ya que cuantas mรกs fuentes se observen en menos tiempo, mejor se modela el movimiento de la Tierra.

Antena VGOS de cerca. Se aprecia la puerta de entrada a la montura.

ยฟVรฉis la puertecita en la parte inferior de la montura? ยกPues por ahรญ vamos a entrar! En el interior de la montura hay dos habitรกculos: uno asociado con el eje de azimuth (movimiento de la antena en la direcciรณn izquierda-derecha) y el otro (el ยซpiso de arribaยป), asociado al eje de elevaciรณn.

En la cabinita de abajo tenemos los motores de azimut y algunos controles.

Cabina inferior.

Tomamos ahora la escalerilla que nos lleva a la parte de arriba, donde nos aguarda una pequeรฑa sorpresa: ยกel punto de referencia geodรฉsica del telescopio!

El punto donde se cruzan los ejes de la montura de un telescopio permanece siempre inmรณvil, sea cual sea la direcciรณn a la que apunta el telescoio (y sea cual sea el tamaรฑo de รฉste), como podรฉis ver en la animaciรณn de mรกs abajo. Por lo tanto, este punto tan especial es el que usamos para referir, con precisiones milimรฉtricas, la posiciรณn en la Tierra de estos titanes de metal; el punto a partir del cual, comparando entre distintos radiotelescopios, podemos estudiar desde la rotaciรณn terrestre y las deformaciones debidas a la Luna, hasta la deriva continental.

En la cabina superior se encuentra el eje de elevaciรณn y, por lo tanto, el punto donde ambos ejes (azimuth y elevaciรณn) se cruzan.

El cruce de ejes del telescopio, situado en la cabina superior de la montura.
Aquรญ tenรฉis mis dedos, marcando ese precioso punto en el espacio.

Salimos al exterior desde la cabina de elevaciรณn y nos encontramos con unas preciosas vistas del bosque de Metsรคhovi.

Bosque de Metsรคhovi, visto desde la montura del telescopio VGOS.

Y justo encima de nosotros, tenemos ยซel platoยป del telescopio: la superficie colectora, tambiรฉn llamada ยซreflector primarioยป.

Base del ยซplatoยป de la antena VGOS, visto desde la parte superior de la montura.

Y aquรญ tenรฉis la foto de un radioastrรณnomo pasรกndoselo bomba en el telescopio VGOS:

En la prรณxima entrada, os hablarรฉ sobre unos dispositivos muy interesantes que tienen en esta estaciรณn geodรฉsica, con los que puede medirse la aceleraciรณn gravitatoria con precisiones que nos os podรฉis ni imaginar. ยกManteneos a la radio escucha!

Una visita a Metsรคhovi (parte I)

Esta semana he estado trabajando como colaborador invitado en el Observatorio Radioastronรณmico de Metsรคhovi (Finlandia), tratando de aplicar conocimientos astronรณmicos de VLBI en el campo de la Geodesia. Me lo he pasado genial, no solo por lo interesante del tema, sino por la buena gente y toda las maravillas tecnolรณgicas que me han mostrado. En prรณximas entradas, os hablarรฉ de algunas de ellas.

Pero esta primera entrada la reservo para hablaros de un telescopio que tiene para mรญ un especial valor sentimental. El antiguo radiotelescopio de 14 metros de diรกmetro, construido a mediados de la dรฉcada de los ’70 del siglo pasado y que, a dรญa de hoy, aรบn sigue dando caรฑa y produciendo resultados de calado. ยกAhรญ van unas fotos!

La antena estรก escondida dentro de una gran cรบpula que la protege del viento y permite observar el Sol sin problemas de calentamiento. Fijรกos que la cรบpula estรก tapando continuamente todo el telescopio (o sea, que no tiene ninguna apertura). No obstante, como observamos en radio, la antena es capaz de ยซver a travรฉsยป de la superficie de la cรบpula sin ningรบn problema. ยฟA que la Radioastronomรญa mola?

Vista exterior de la cรบpula del Radiotelescopio de 14m en Metsรคhovi
El telescopio estรก siempre con el foco ยซcasi pegadoยป a la cรบpula. Y aรบn asรญ, es capaz de observar el Universo a travรฉs de ella.

La sala de control (bastante pequeรฑita) es una pasada. Estรก en la mรญsma cรบpula (la pared de la oficina se aprecia en rojo, en la parte inferior izquierda de la foto de arriba). Una parte de los controles del telescopio aรบn funciona con la electrรณnica original de los aรฑos ’70. ยกEs una pasada ver las lucecitas e indicadores analรณgicos aรบn funcionando! ยกQuรฉ delicia!

Controles del telescopio

Un dato curioso (ยกinverosรญmil, pero verรญdico!): entre los chips que controlan el motor del telescopio (mรกs en concreto, en todo el ยซrackยป de la derecha en la foto de arriba) habitan (en รฉpoca de crรญa) ejemplares de una especie protegida de serpiente autรณctona. Como buscan ยซel calorcitoยป de los chips, les encanta hacer ahรญ sus nidos. Todo empezรณ, al parecer, con una hembra que desperdigรณ por ahรญ sus feromonas y originรณ el ยซefecto llamadaยป. Y como son una especie protegida, no las pueden ยซdesahuciarยป de allรญ.

Imagen del Sol, tomada en tiempo real durante la visita.

ยฟVรฉis esa imagen de un disco rojizo en la foto de arriba? Es el Sol, visto en banda radio (a 37 GHz), que es justo lo que el radiotelescopio estaba observando en esos momentos (obtiene las imรกgenes por escaneo, produciendo una cada 2 minutos, aproximadamente). Fijaos en puntito azul de la parte superior. ยกEstamos viendo actividad solar! Os recuerdo que todo esto se observa a travรฉs de la cรบpula (que es completamente transparente a la luz en banda radio).

Backend de VLBI.

La parte de la electrรณnica mostrada en la foto de arriba es mi favorita. Se trata del backend de VLBI, con el que Metsahovi puede formar parte de ese ยซtelescopio virtualยป del tamaรฑo de toda la Tierra, uniendo su seรฑal a las de otros radiotelescopios distribuidos por el resto del mundo. Abajo a la izquierda, se ve el sistema ยซDBBC3ยป, que digitaliza los datos antes de grabarlos en disco. Encima del DBBC3, se ve un rack con un set de discos con datos (pegatina con circulito rojo) y otro set con discos vacรญos (pegatina con circulito verde).

Resto de la electrรณnica de VLBI.

Y aquรญ tenรฉis uno de los relojes atรณmicos (mรกseres de hidrรณgeno) que usamos para sincronizar las seรฑales de los telescopios de todo el planeta que participan en las sesiones de VLBI. Sin esos relojes, no podrรญamos convertir a la Tierra en ese ยซtelescopio virtualยป. Cuando el sistema estรก operativo, el mรกser suele estar en una habitaciรณn con la temperatura bien controlada y sin nadie que le ยซmolesteยป. Justo a la izquierda del mรกser, podรฉis ver tambiรฉn un montรณn de discos duros, que forman parte del sistema ยซflexbuffยป, tambiรฉn usado en VLBI.

Parece que mi reloj solamente atrasa unos 13 segundos con respecto al tiempo atรณmico. ยกNo estรก nada mal para un Casio!
Receptores del radiotelescopio de 14m

ยกY en la foto de arriba tenรฉis a los ยซcorazonesยป del radiotelescopio! Los receptores, que captan la seรฑal en el foco de la antena para llevarla hasta los ยซbackendยป, donde la tratamos y grabamos. A la derecha, el receptor dual ยซS/Xยป, muy usado en Geodesia. Estos receptores son capaces de observar a dos frecuencias (2.3 y 8.4GHz) al mismo tiempo, lo que permite eliminar los efectos dispersivos (bรกsicamente, la ionosfera) de los datos. Hoy en dรญa, con los receptores de banda ultra-ancha, este ยซtrucoยป ya estรก cayendo en desuso.

Receptor de 86GHz, usado en VLBI milimรฉtrico.

Y aquรญ tenรฉis otro receptor de uso mรกs astronรณmico: el de 86GHz. De hecho, dentro de muy poco, os harรฉ un hilo de un precioso artรญculo en el que mostramos datos de VLBI que han pasado por ese mismo receptor. Y sรญ, esa cosa amarilla es un patito de goma (el toque friki).

Y para terminar, acabamos con un buen consejo de parte de los tรฉcnicos de la Universidad de Aalto. Me quedo con ganas de mostraros mรกs cosas, pero habrรก que esperar hasta la prรณxima entrada del blog. ยกNos vemos allรก!

Un telescopio planetario

ยกHola de nuevo! En esta ocasiรณn, voy a hablaros de una tecnologรญa de la que me enamorรฉ perdidamente la primera vez que entrรฉ en contacto con ella. Tanto es asรญ, que en aquel momento ya sentรญ que dedicarรญa el resto de mi vida profesional a explotar su enorme potencial. Me refiero a VLBI, una tecnologรญa con la que podemos, desde fotografiar agujeros negros, a estudiar el movimiento de nuestro planeta con precisiones que permiten detectar efectos de milรฉsimas de segundo por siglo en la duraciรณn de un dรญa. ยกVamos a hablar de ella! ยกOs aseguro que tambiรฉn os enamorarรก!

La principal (y fundamental) limitaciรณn que tiene cualquier instrumento รณptico (desde un telescopio hasta una cรกmara de fotos o incluso nuestros propios ojos) estรก relacionada con un fenรณmeno que llamamos difracciรณn.

La luz es un fenรณmeno ondulatorio, lo que hace que (al igual que pasa con el sonido) sea capaz de bordear esquinas (con ciertas limitaciones; ยกde no ser asรญ, no habrรญa sombras!) y de ensancharse a su paso por rendijas estrechas. Estos fenรณmenos estรกn producidos por la difracciรณn, que afecta a cualquier fenรณmeno ondulatorio. Otro efecto de esta difracciรณn es que, al pasar por el objetivo (o por la ยซpupila de entradaยป) de una cรกmara, no produce imรกgenes perfectas de lo que la cรกmara observa, sino que las imรกgenes aparecen emborronadas; la imagen de un punto no es un punto, sino una manchita borrosa, a la que, en nuestra jerga, llamamos Point Spread Function (PSF) o ยซfunciรณn de punto esparcidoยป.

Una cรกmara (o un telescopio) que observa una flor en la lejanรญa, no produce una imagen nรญtida de la flor, sino una versiรณn emborronada. Esto estรก, en buena parte, relacionado con el fenรณmeno de la difracciรณn de la luz.

Este ยซemborronamientoยป de las imรกgenes captadas por cualquier cรกmara es independiente de lo buena que sea la รณptica de la misma; no importa si el objetivo de nuestra flamante reflex nos ha costado 100 euros o 3000. El emborronamiento siempre estarรก ahรญ, ya que se trata de una limitaciรณn fundamental de la Naturaleza (como el Principio de Incertidumbre de la Fรญsica Cuรกntica que, de hecho, estรก relacionado con este lรญmite de difracciรณn).

Cuanto mรกs grande sea el objetivo de nuestra cรกmara, mรกs picudita y estrechita se harรก la PSF, por lo que las imรกgenes producidas serรกn mรกs nรญtidas (o sea, podremos distinguir detalles mรกs pequeรฑos en nuestras imรกgenes). La anchura de la PSF tambiรฉn depende de la longitud de onda a la que observamos; cuanto mรกs larga es, mรกs ancha se hace la PSF (o sea, peor es la resoluciรณn de nuestra cรกmara).

En el caso de la Radioastronomรญa (donde las longitudes de onda son larguรญsimas, hasta miles de veces mรกs largas que en el รณptico) este lรญmite de difracciรณn gana una importancia tremenda: las PSF de nuestros radiotelescopios son tan anchas, que ven el cielo completamente emborronado; como si necesitaran gafas con un montรณn de dioptrรญas.

La forma en la que los radioastrรณnomos salvamos este lรญmite fundamental de la naturaleza es convirtiendo el problema en su propia soluciรณn (Be water my friend!). Explotamos las propiedades ondulatorias de la luz (que nos fastidian con la difracciรณn) para sintetizar telescopios de tamaรฑos titรกnicos (ยกdisminuyendo, por lo tanto, la difracciรณn que tanto nos estรก fastidiando!). ยฟY cรณmo hacemos esto? Pues combinando las seรฑales que llegan a distintos radiotelescopios (relativamente pequeรฑos) que pueden estar separados por grandes distancias, de manera que generemos un telescopio virtual de tamaรฑo arbitrariamente grande.

(a) En rojo, telescopios pequeรฑos que forman un interferรณmetro; en amarillo, telescopio gigante, tan grande como el espacio que ocupan los telescopios rojos. (b) En rojo, apertura (de la pupila de entrada) del interferรณmetro; en amarillo, apertura del telescopio gigante. (c) PSF del telescopio gigante (muy ยซlimpiaยป). (d) PSF del interferรณmetro (bastante ยซsuciaยป, debido a su pupila llena de ยซzonas muertasยป).

El precio a pagar por usar este ยซtrucoยป de sintetizar telescopios gigantescos es que nuestro telescopio virtual gigante estรก lleno de ยซzonas muertasยป (o sea, zonas donde no hay superficie colectora de luz y que, por lo tanto, no forman parte de la pupila de entrada). Esto es como si cogierais el objetivo de una cรกmara y lo taparais con una cartulina negra a la que le habรฉis hecho unos pocos agujeritos por donde dejar pasar la luz. La consecuencia de esto es que la PSF del interferรณmetro es extraordinariamente ยซsuciaยป, en el sentido de que no es solamente un ยซpunto gordoยป, sino que estรก contaminada con un montรณn de ยซoscilacionesยป y ยซpuntos secundariosยป, que hacen que las imรกgenes resultantes sean de muy poca calidad.

La aplicaciรณn mรกs extrema de esta tรฉcnica interferomรฉtrica, con la que pueden sintetizarse telescopios enormes, es la llamada tรฉcnica de Interferometrรญa de Muy Larga Base (Very Long Baseline Interferometry, VLBI), con la que el telescopio sintetizado puede ser tan grande como todo el planeta Tierra (ยกo incluso mรกs, si se usan satรฉlites con radiotelescopios incorporados!). Quizรก el ejemplo mรกs famoso de telescopio VLBI sea el Telescopio de Horizonte de Sucesos (Event Horizon Telescope, EHT), con el que se han obtenido las primeras imรกgenes de las inmediaciones de agujeros negros supermasivos.

Disposiciรณn de los telescopios del EHT que participaron en las observaciones del EHT de abril de 2017.

Como los telescopios de VLBI estรกn tan lejos unos de otros (ยกhay incluso ocรฉanos enteros que los separan!), las PSF pueden llegar a ser horribles (ya que las ยซzonas muertasยป de la pupila de entrada son grandรญsimas). Esto hace que necesitemos aplicar elaborados algoritmos de procesamiento de imรกgenes para deshacer el efecto de esas PSF tan ยซsuciasยป (una operaciรณn matemรกtica que conocemos con el nombre de deconvoluciรณn). Los algoritmos de deconvoluciรณn en VLBI son un campo de estudio que, a dรญa de hoy (dรฉcadas despuรฉs de las primeras observaciones interferomรฉtricas), sigue siendo muy activo (a modo de ejemplo, a dรญa de hoy estoy dirigiendo una tesis doctoral sobre un nuevo mรฉtodo de deconvoluciรณn dinรกmica).

A la izquierda, imagen ยซcrudaยป del agujero negro de M87 observado con el EHT en abril de 2017. La imagen estรก gravemente afectada por la ยซPSF suciaยป del EHT. A la derecha, imagen final de M87*, para la que se aplicaron varios algoritmos deconvolutivos independientes (con los que se obtuvieron resultados equivalentes).

Pero bueno, ยฟcรณmo somos capaces de combinar las seรฑales que llegan a los distintos telescopios para ยซsintetizarยป ese telescopio gigantesco? El secreto estรก en registrar (o sea, grabar) las seรฑales que nos estรกn llegando del espacio exterior para poder simular la lente de un telescopio enorme. Veamos: un telescopio refractor normal capta las ondas que llegan del espacio y las concentra (o enfoca) en un plano donde se forma la imagen del astro observado. Lo que hacemos los interferรณmetras es, en cambio, grabar las seรฑales que llegan del espacio, meterlas en un ordenador y enfocarlas de forma digital (o sea, simulando la lente de un telescopio refractor en el ordenador). La lente de nuestro interferรณmetro es, pues, una lente virtual, que no existe en la realidad fรญsica, sino solamente en las entraรฑas de nuestro ordenador.

Created with GIMP

Para que esto funcione, debemos saber exactamente dรณnde se encuentran nuestros telescopios y dรณnde se encuentra la fuente observada. Y debemos saber esto con una precisiรณn asombrosa (del orden de la longitud de onda a la que observamos). En el caso de VLBI, esto implica conocer, con precisiones casi milimรฉtricas, las posiciones relativas entre telescopios separados por distancias intercontinentales y transatlรกnticas. Parece increรญble, ยฟverdad? ยกPues puede hacerse!

Esquema de un interferรณmetro. Para poder ยซenfocarยป en nuestro ordenador las seรฑales que llegan a cada telescopio, debemos conocer con mucha precisiรณn dรณnde estรกn la fuente y los telescopios receptores, de manera que podamos ยซretrasarยป las seรฑales que llegan a cada telescopio para que el ยซenfoqueยป funcione.

Esto se hace calculando la ยซinterferenciaยป entre las seรฑales que llegan a cada telescopio. Vamos retrasando una seรฑal respecto a la otra y calculando la amplitud de la interferencia resultante. Cuando encontramos un ยซpicoยป (o sea, una interferencia constructiva), significa que las seรฑales que llegan a ambos telescopios estรกn justamente en fase, con lo que… ยกVoilร ! ยกYa tenemos medido el retraso exacto de la seรฑal entre los telescopios! ยกY con una precisiรณn BRUTAL (mejor que una mil-millonรฉsima de segundo)!

Esta tรฉcnica nos permite obtener resoluciones en el cielo similares al tamaรฑo de una pelota de golf en la Luna visto desde la Tierra y, por otra parte, tambiรฉn nos permite conocer las posiciones relativas entre telescopios con precisiones casi milimรฉtricas.

En esta otra entrada del blog, os explico algunas cosas chulas sobre cรณmo puede usarse la tรฉcnica VLBI para estudiar la forma y movimiento de la Tierra con precisiones que quitan el hipo:

https://imarvi2.blogs.uv.es/2022/12/09/la-tierra-esta-frenando/

Y para los que querรกis mรกs informaciรณn, aquรญ tenรฉis el enlace a un precioso artรญculo sobre VLBI publicado en la revista AstronomรญA por dos grandes colegas, Paco Colomer y Jorge Rivero:

https://www.globalastronomia.com/radio-interferometria-de-muy-larga-base-vlbi/

ยกY eso es todo por ahora! ยกNos vemos en la siguiente entrada del blog!

Estiramiento del espacio y enfriamiento cรณsmico

Aquรญ va una nueva entrada de blog sobre un trabajo que, aunque se publicรณ hace aรฑos, aรบn me tiene en estado de shock. Es una autรฉntica maravilla. Os aviso que esta entrada es larga, pero bonita. Va sobre la expansiรณn del Universo y su relaciรณn con un astro muy especial.

En el Universo hay objetos curiosos e interesantes; tambiรฉn los hay especiales y extraordinarios; magnรญficos y รบnicosโ€ฆ Y despuรฉs, estรก PKS1830-211 (o PKS18 para los amigos); un nombre que, despuรฉs de leer estas lรญneas, seguro que no volverรก a dejaros indiferentes.

PKS18 es lo que llamamos una lente gravitacional, formada por una galaxia situada a unos 7300 millones de aรฑos-luz, cuya masa es capaz de curvar las trayectorias de la luz que le llega de un agujero negro muy muy lejano (a mรกs de 11000 millones de aรฑos-luz), produciendo (visto desde la Tierra) dos imรกgenes del mismo agujero negro.

En el centro de esta foto (en color rojizo) se muestra la emisiรณn en radio de las dos imรกgenes del agujero negro inducidas por la lente gravitacional de PKS1830-211. La galaxia que hace de lente (situada a 7300 millones de aรฑos-luz) es muy dรฉbil y no se aprecia en la fotografรญa.

Hasta aquรญ, todo bien. Parece una lente gravitacional mรกs; del montรณn. Pero PKS18 tambiรฉn tiene otras caracterรญsticas muy especiales que la hacen รบnica. De hecho, en todo el Universo conocido solo sabemos de dos astros que posean todas esas especiales caracterรญsticasโ€ฆ Y PKS18 es (con diferencia) el mejor de ellos.

De entre todas esas remarcables propiedades de PKS18, aquรญ solo hablaremos de una: ademรกs de ser una lente gravitacional, PKS18 tambiรฉn actรบa como la ยซsombra chinaยป de unas lejanas nubes moleculares. ยฟQuรฉ quiero decir con esto? Pues que, por una puรฑetera casualidad, unas nubes moleculares (sรญ, esos conglomerados de gas y polvo donde nacen las estrellas) situadas en los brazos espirales de la ยซgalaxia lenteยป (la que estรก a 7300 millones de aรฑos-luz) se interponen justamente entre nosotros y el agujero negro del fondo. En esta figura de abajo, tenรฉis el esquema de esta configuraciรณn tan especial.

Esquema de PKS1830-211

Esas nubes moleculares, las estamos viendo tal y como eran cuando el Universo tenรญa la mitad de su edad actual; una รฉpoca bastante especial, ya que alrededor de esa รฉpoca (hace entre 7 y 11 mil millones de aรฑos) en el Universo nacรญan estrellas a un ritmo trepidante. Ese fue el ยซbaby boomยป de la formaciรณn estelar. Jamรกs hubo (ni seguramente habrรก) otra รฉpoca igual en toda la historia del Universo.

Hoy en dรญa, las estrellas nacen a un ritmo casi 10 veces menor que durante el pico de aquel ยซbaby boomยป. Poder estudiar un ยซcriadero de estrellasยป (una nube molecular) de aquel pasado remoto puede ser muy interesante. Pero esa es otra historia, que contaremos en otra ocasiรณn. ๐Ÿ™‚

Las molรฉculas que formaban aquellas nubes absorbรญan parte de la luz que les llegaba del lejano agujero negro, dejando en la luz saliente, a modo de ยซsombra chinaยป, un ยซespectro de absorciรณnยป. En ese espectro, todas las molรฉculas que habรญa en esas nubes nos fueron dejando seรฑales รบnicas (a modo de ยซhuellas dactilaresยป) que hoy nos dicen de quรฉ estuvieron hechos aquellos lejanos criaderos estelares hace mรกs de 7000 millones de aรฑos.

Esquema de cรณmo se produce la absorciรณn molecular en PKS1830-211

En la figura de abajo podรฉis disfrutar de uno de los muchรญsimos espectros de absorciรณn observados en PKS18 por mi colega Sรฉbastien Muller. ยฟVรฉis las molรฉculas orgรกnicas? ยฟA que mola?

Uno de los espectros observados por Sรฉbastien Muller en PKS1830-211. Esas molรฉculas absorbieron la luz que les llegaba del agujero negro, hace mรกs de 7000 millones de aรฑos.

Vamos ahora a cambiar de tercio en nuestra historia (pero tranquilos, que todo el contenido de esta entrada del blog estรก relacionado):

Como seguramente ya sabrรฉis, el Universo se encuentra en expansiรณn. Pero lo que posiblemente algunos no sepรกis, es cรณmo ocurre esa expansiรณn. La expansiรณn de nuestro Universo es consecuencia de que el espacio (no los astros que lo llenan, sino el espacio mismo) es dinรกmico; o sea, el espacio se estรก ยซestirandoยป entre las galaxias, lo que hace que la distancia entre รฉstas aumente y que la luz, que recorre dicho espacio, vaya alargando su longitud de onda (o sea, se vaya ยซenrojeciendoยป). Este efecto es muy diferente del famoso ยซefecto Dopplerยป, ya que el ยซenrojecimiento cosmolรณgicoยป estรก producido por el estiramiento del espacio (que estรก directamente relacionado con la expansiรณn del Universo), y no porque haya nada que estรฉ ยซempujandoยป a las galaxias, alejรกndolas unas de otras.

Animaciรณn que muestra el enrojecimiento cosmolรณgico. La longitud de onda de la luz aumenta (o sea, la luz ยซse estiraยป) debido a que el espacio mismo se estรก estirando.
Animaciรณn del efecto Doppler, producido por el movimiento del emisor respecto del receptor. Este efecto no tiene nada que ver con el enrojecimiento cosmolรณgico (que se muestra en la animaciรณn de arriba).

Por otra parte, la radiaciรณn de fondo cรณsmico (o ยซCMBยป para los amigos) es un campo de fotones que llena todo el espacio; una ยซreliquiaยป del Big Bang, recuerdo de cuando nuestro Universo solamente tenรญa unos trescientos ochenta mil aรฑos (vamos, que aรบn usaba paรฑales).

Como el CMB estรก hecho de rayos de luz, las longitudes de onda de todos esos fotones tambiรฉn estรกn sufriendo un alargamiento relacionado con la expansiรณn del Universo. O sea, que a medida que el Universo se expande, el CMB entero se va enrojeciendo y, por lo tanto, se va ยซenfriandoยป (longitudes de onda mรกs largas se corresponden con temperaturas mรกs bajas).

Hoy en dรญa, la temperatura del CMB es de unos 2.7 K (ยซKยป de ยซKelvinยป). Pero si el modelo del Big Bang es correcto, esa temperatura debiรณ ser mayor en el pasado (o sea, cuando el Universo era mรกs pequeรฑo y, por consiguiente, las longitudes de onda de todos los fotones del CMB eran mรกs cortas).

ยฟSerรญa posible confirmar esta predicciรณn de forma precisa, midiendo la temperatura del CMB en el pasado remoto? Para hacer eso, necesitarรญamos usar una ยซmรกquina del tiempoยป, enviar un termรณmetro al pasado, ponerlo en el espacio interestelar, leer su medida y traerlo de vuelta al presente.

ยฟCreรฉis que podemos hacer algo asรญ con nuestra tecnologรญa? ยกPues claro que sรญ (aunque no de forma literal)! Todos los astrรณnomos (seamos profesionales o aficionados) tenemos ยซmรกquinas del tiempoยป a nuestra disposiciรณn. Son los ยซtelescopiosยป. Cuanto mรกs lejos observamos con ellos, mรกs ยซhacia el pasadoยป vamos.

Si el modelo del Big Bang es correcto, la temperatura del CMB cuando la luz de PKS18 abandonรณ aquellas nubes moleculares debiรณ ser de unos 5.14 K. Y lo que hizo mi colega Sรฉbastien Muller (del Observatorio Espacial de Onsala) fue convertir PKS18 en un ยซtermรณmetro del CMBยป.

Sรฉbastien utilizรณ los espectros imprimidos por las molรฉculas de aquellas lejanas nubes para estimar la temperatura de los rayos de luz del CMB, los cuales, al estar llenando todo el espacio (lo que incluye a las propias nubes moleculares), tambiรฉn chocaban y ยซcalentabanยป a las molรฉculas que las formaban, afectando con ello a sus espectros de absorciรณn.

Sรฉbastien concluyรณ, analizando aquellos espectros (aquellas ยซsombras chinasยป, que las nubes moleculares imprimรญan en la seรฑal que les iba llegando del lejano agujero negro), que el CMB tenรญa una temperatura de 5.08 K (ยกy con un error de solo 0.1 K!). Asรญ es. Mi colega convirtiรณ una lejana nube molecular en un ยซtermรณmetro del CMBยป y, con ello, vio cรณmo el estiramiento del espacio ha ido enfriando la radiaciรณn del CMB a lo largo de mรกs de 7000 millones de aรฑos. Una confirmaciรณn preciosa de que la expansiรณn del Universo se debe realmente al estiramiento del espacio que hay entre las galaxias, y no a nada que las ยซempujeยป para separarlas unas de otras.

Ademรกs, su resultado es perfectamente compatible con la predicciรณn del modelo del Big Bang (5.08 K medidos frente a los 5.14 K predichos por la teorรญa) y es (con diferencia) el mรกs preciso de todos los estimados de la temperatura del CMB en รฉpocas pasadas. ยกWow! Cada vez que pienso en esta proeza observacional de mi amigo Sรฉbastien, no dejo de sentirme muy orgulloso de poder trabajar con gente gente que, como รฉl, es capaz de ยซexprimirยป al mรกximo la informaciรณn que nos llega del Universo.

Para los que querรกis leer el artรญculo original, aquรญ os paso la referencia:

Enlace al artรญculo de Muller et al. (2013)

Por cierto, hace poco Sรฉbastien y yo hemos enviado a revisiรณn un artรญculo precioso, basado en un intenso monitoreo de las molรฉculas de agua que hay en esas nubes de PKS18. Si nos lo aceptan, os harรฉ otra entrada de blog, explicรกndoos lo que hemos encontrado. Y lo voy dejando ya, que los datos no se calibran solos. ยกHasta la prรณxima!