El Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), en Chile,
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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". (Fuente: ALMA/DICYT)
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