M87* un año después: prueba de la persistencia de la sombra de un agujero negro

18 Enero, 2024 / Tiempo de lectura: 11 minutes

La colaboración del Event Horizon Telescope (EHT) ha publicado nuevas imágenes de M87*, el agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia Messier 87, utilizando datos de observaciones tomadas en abril de 2018. Con la participación del Telescopio de Groenlandia y un espectacular sistema de discos con una tasa de registro mejorada en todo el conjunto, las observaciones de 2018 nos brindan una vista de la fuente independiente de las primeras observaciones de 2017. Un artículo reciente publicado en la revista Astronomy & Astrophysics presenta nuevas imágenes de los datos de 2018 que revelan un anillo familiar del mismo tamaño del observado en 2017. Este anillo brillante rodea una profunda depresión central, “la sombra del agujero negro”, como predice la relatividad general. Curiosamente, el pico de brillo del anillo se ha desplazado unos 30º en comparación con las imágenes de 2017, lo que concuerda con nuestra comprensión teórica de la variabilidad del material turbulento alrededor de los agujeros negros.

"Un requisito fundamental de la ciencia es poder reproducir resultados", dice el Dr. Keiichi Asada, investigador asociado del Instituto Academia Sínica de Astronomía y Astrofísica de Taiwán. "La confirmación del anillo en un conjunto de datos completamente nuevo es un gran hito para nuestra colaboración y una fuerte indicación de que estamos ante la sombra de un agujero negro y el material que orbita a su alrededor".

En 2017, el EHT tomó la primera imagen de un agujero negro. Este objeto, M87*, es el corazón palpitante de la galaxia elíptica gigante Messier 87 y vive a 55 millones de años luz de la Tierra. La imagen del agujero negro reveló un anillo circular brillante, más brillante en la parte sur del anillo. Un análisis más detallado de los datos también reveló la estructura de M87 en luz polarizada, lo que nos brinda una mayor comprensión de la geometría del campo magnético y la naturaleza del plasma alrededor del agujero negro.

La nueva era de imágenes directas de agujeros negros, encabezada por el análisis extenso de las observaciones de M87* en 2017, abrió una nueva ventana que nos permitió investigar la astrofísica de los agujeros negros y probar la teoría de la relatividad general a un nivel fundamental. Nuestros modelos teóricos nos dicen que el estado del material alrededor de M87* no debería estar correlacionado entre 2017 y 2018. Por lo tanto, múltiples observaciones de M87* nos ayudarán a imponer restricciones independientes a la estructura del plasma y del campo magnético alrededor del agujero negro y nos ayudarán a desenredar la complicada astrofísica de los efectos de la relatividad general.

Para ayudar a lograr ciencia nueva y apasionante, el EHT está en continuo desarrollo. El Telescopio de Groenlandia se unió al EHT por primera vez en 2018, apenas cinco meses después de que se completara su construcción muy por encima del Círculo Polar Ártico. Este nuevo telescopio mejoró significativamente la fidelidad de la imagen del conjunto EHT, mejorando la cobertura, particularmente en dirección Norte-Sur. También participó por primera vez el Gran Telescopio Milimétrico con su superficie completa de 50 m, mejorando enormemente su sensibilidad. La matriz EHT también se actualizó para observar en cuatro bandas de frecuencia alrededor de 230 GHz, en comparación con solo dos bandas en 2017.

Las observaciones repetidas con una matriz mejorada son esenciales para demostrar la solidez de nuestros hallazgos y fortalecer nuestra confianza en nuestros resultados. Además de la ciencia innovadora, el EHT también sirve como banco de pruebas tecnológicas para desarrollos de vanguardia en interferometría de radio de alta frecuencia.

"El avance de los esfuerzos científicos requiere una mejora continua en la calidad de los datos y las técnicas de análisis", afirmó Rohan Dahale, candidato a doctorado en el Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC), en España. "La inclusión del Telescopio de Groenlandia en nuestro conjunto llenó vacíos críticos en nuestro telescopio del tamaño de la Tierra. Las observaciones de 2021, 2022 y las próximas en 2024 son testigos de mejoras en el conjunto, lo que alimenta nuestro entusiasmo por ampliar las fronteras de la astrofísica de los agujeros negros".

El análisis de los datos de 2018 presenta ocho técnicas de modelado e imágenes independientes, incluidos los métodos utilizados en el análisis anterior de M87* de 2017 y otros nuevos desarrollados a partir de la experiencia de la colaboración en el análisis de Sgr A*.

La imagen de M87* tomada en 2018 es notablemente similar a lo que vimos en 2017. Vemos un anillo brillante del mismo tamaño, con una región central oscura y un lado del anillo más brillante que el otro. La masa y la distancia de M87* no aumentarán apreciablemente a lo largo de la vida humana, por lo que la relatividad general predice que el diámetro del anillo debería permanecer igual de año en año. La estabilidad del diámetro medido en las imágenes de 2017 a 2018 respalda firmemente la conclusión de que M87* está bien descrito por la relatividad general.

"Una de las propiedades notables de un agujero negro es que su radio depende en gran medida de una sola cantidad: su masa", dijo la Dra. Nitika Yadlapalli Yurk, ex estudiante de posgrado en el Instituto de Tecnología de California (Caltech), ahora estudiante postdoctoral becaria del Jet Propulsion Laboratory de California. “Dado que M87* no está acumulando material (lo que aumentaría su masa) a un ritmo rápido, la relatividad general nos dice que su radio permanecerá prácticamente sin cambios a lo largo de la historia de la humanidad. Es muy emocionante ver que nuestros datos confirman esta predicción”.

Si bien el tamaño de la sombra del agujero negro no cambió entre 2017 y 2018, la ubicación de la región más brillante alrededor del anillo sí cambió significativamente. La región brillante giró unos 30º en sentido antihorario para asentarse en la parte inferior derecha del anillo aproximadamente en la posición de las 5 en punto. Las observaciones históricas de M87* con un conjunto menos sensible y menos telescopios también indicaron que la estructura de la sombra cambia anualmente (Wielgus 2020, ApJ, 901, 67) pero con menos precisión. Si bien el conjunto EHT de 2018 aún no puede observar el chorro que emerge de M87*, el eje de giro del agujero negro predicho a partir de la ubicación de la región más brillante alrededor del anillo es más consistente con el eje del chorro visto en otras longitudes de onda.

"El cambio más grande, que el máximo de brillo se desplazó alrededor del anillo, es en realidad algo que predijimos cuando publicamos los primeros resultados en 2019", dijo la Dra. Britt Jeter, becaria postdoctoral en el Instituto de Astronomía y Astrofísica de la Academia Sínica en Taiwán. “Si bien la relatividad general dice que el tamaño del anillo debería permanecer bastante fijo, la emisión del turbulento y desordenado disco de acreción alrededor del agujero negro hará que la parte más brillante del anillo se tambalee alrededor de un centro común. La cantidad de oscilación que vemos a lo largo del tiempo es algo que podemos utilizar para probar nuestras teorías sobre el campo magnético y el entorno del plasma alrededor del agujero negro”.

“Aunque las condiciones climáticas en 2018 fueron peores que en 2017, el EHT pudo confirmar la morfología del anillo en M87* en esta nueva observación un año más tarde. Parte de esta hazaña fue el hecho de que se instalaron nuevas estaciones, lo que mejoró la fidelidad de la imagen y se cubrió un rango de frecuencia más amplio mientras ALMA sigue siendo la principal estación, directora de la red", explica Hugo Messias, líder de las observaciones de VLBI en ALMA: "La aparente oscilación del punto brillante en la imagen concuerda con las expectativas de un ambiente turbulento alrededor de M87* mientras todavía está en presencia de un fuerte campo magnético ordenado. Este año, planeamos observar M87* en frecuencias aún más altas, con suerte brindando más detalles en el anillo. Así que ahora estamos haciendo la cuenta regresiva para esas observaciones y los resultados consiguientes”.

Si bien todos los artículos del EHT publicados hasta ahora han presentado un análisis de nuestras primeras observaciones en 2017, este resultado representa los primeros esfuerzos para explorar los muchos años adicionales de datos que hemos recopilado. Además de 2017 y 2018, el EHT realizó observaciones exitosas en 2021 y 2022 y está previsto que realice observaciones en la primera mitad de 2024. Cada año, el conjunto del EHT ha mejorado de alguna manera, ya sea mediante la incorporación de nuevos telescopios, un mejor hardware o frecuencias de observación adicionales. Dentro de la colaboración, estamos trabajando muy duro para analizar todos estos datos y estamos emocionados de mostrarles más resultados en el futuro.

Información adicional

El Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), una instalación astronómica internacional, es una asociación entre el Observatorio Europeo Austral (ESO), la Fundación Nacional de Ciencia de EE. UU. (NSF) y los Institutos Nacionales de Ciencias Naturales de Japón (NINS) en cooperación con la República de Chile. ALMA es financiado por ESO en representación de sus estados miembros, por NSF en cooperación con el Consejo Nacional de Investigaciones de Canadá (NRC) y el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología de Taiwán (NSTC), y por NINS en cooperación con la Academia Sinica (AS) de Taiwán y el Instituto de Ciencias Astronómicas y Espaciales de Corea del Sur (KASI).

La construcción y las operaciones de ALMA son conducidas por ESO en nombre de sus estados miembros; por el Observatorio Radioastronómico Nacional (NRAO), gestionado por Associated Universities, Inc. (AUI), en representación de Norteamérica; y por el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ) en nombre de Asia del Este. El Joint ALMA Observatory (JAO) tiene a su cargo la dirección general y la gestión de la construcción, así como la puesta en marcha y las operaciones de ALMA.

La colaboración EHT involucra a más de 300 investigadores de África, Asia, Europa y América del Norte y del Sur. La colaboración internacional está trabajando para capturar las imágenes de agujeros negros más detalladas jamás obtenidas mediante la creación de un telescopio virtual del tamaño de la Tierra. Con el respaldo de una considerable inversión internacional, el EHT vincula telescopios existentes utilizando sistemas novedosos, creando un instrumento fundamentalmente nuevo con el mayor poder de resolución angular que se haya logrado hasta ahora.

Los telescopios individuales involucrados son ALMA, APEX, el Telescopio IRAM de 30 metros, el Observatorio IRAM NOEMA, el Telescopio James Clerk Maxwell (JCMT), el Gran Telescopio Milimétrico (LMT), el Submillimeter Array (SMA), el Telescopio Submilimétrico (SMT) ), el Telescopio del Polo Sur (SPT), el Telescopio Kitt Peak y el Telescopio de Groenlandia (GLT). Los datos se correlacionaron en el Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) y el MIT Haystack Observatory. El posprocesamiento se realizó en colaboración con un equipo internacional de diferentes instituciones.

El consorcio EHT está formado por 13 institutos interesados: el Instituto Academia Sínica de Astronomía y Astrofísica, la Universidad de Arizona, la Universidad de Chicago, el Observatorio de Asia Oriental, la Goethe-Universitaet Frankfurt, el Institut de Radioastronomie Millimétrique, el Gran Telescopio Milimétrico, el Instituto Max Planck para Radioastronomía, el Observatorio Haystack del MIT, el Observatorio Astronómico Nacional de Japón, el Instituto Perimetral de Física Teórica, la Universidad de Radboud y el Observatorio Astrofísico Smithsonian.

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