Primera imagen directa de un agujero negro expulsando un potente chorro

26 Abril, 2023 / Tiempo de lectura: 15 minutes

Por primera vez, un equipo de astrónomos y astrónomas ha observado, en la misma imagen, la sombra del agujero negro del centro de la galaxia Messier 87 (M87) y el potente chorro expulsado. Las observaciones se realizaron en 2018 con telescopios del Global Millimeter VLBI Array (GMVA), el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) y el Telescopio de Groenlandia (GLT). Gracias a esta nueva imagen, la comunidad astronómica puede comprender mejor cómo los agujeros negros lanzan chorros tan energéticos.

“Anteriormente habíamos visto tanto el agujero negro como el chorro en imágenes separadas, pero ahora hemos tomado una fotografía panorámica del agujero negro junto con su chorro en una nueva longitud de onda”, dice Ru-Sen Lu, del Observatorio Astronómico de Shanghai y líder de un Grupo de Investigación Max Planck en la Academia de Ciencias de China. Se cree que el material circundante cae en el agujero negro en un proceso conocido como acreción. Pero nadie lo ha fotografiado directamente. "El anillo que hemos observado antes aparece más grande y más grueso a una longitud de onda de observación de 3,5 mm. Esto muestra que el material que cae en el agujero negro produce una emisión adicional que ahora se aprecia en la nueva imagen. Esto nos da una visión más completa de los procesos físicos que actúan cerca del agujero negro”, agregó.

La participación de ALMA y GLT en las observaciones de GMVA y el aumento resultante en la resolución y sensibilidad de esta red intercontinental de telescopios ha hecho posible obtener imágenes de la estructura en forma de anillo en M87 por primera vez en la longitud de onda de 3,5 mm. El diámetro del anillo medido por el GMVA es de 64 microarcosegundos, que corresponde al tamaño de un pequeño anillo de luz para selfies (13 cm) visto por un astronauta en la Luna mirando hacia la Tierra. Este diámetro es un 50 por ciento más grande que lo que se vio en las observaciones del Event Horizon Telescope a 1,3 mm, de acuerdo con las expectativas de emisión de plasma relativista en esta región.

"Con las capacidades de generación de imágenes muy mejoradas al agregar ALMA y GLT en las observaciones de GMVA, hemos obtenido una nueva perspectiva. De hecho, vemos el chorro de tres crestas que conocíamos de las observaciones anteriores de VLBI", dice Thomas Krichbaum del Instituto Max Planck para Radio Astronomía (MPIfR) en Bonn."Pero ahora podemos ver cómo el chorro emerge del anillo de emisión alrededor del agujero negro supermasivo central y podemos medir el diámetro del anillo también en otra longitud de onda (más larga)".

"ALMA ha demostrado una vez más ser un actor clave en las observaciones de mm-VLBI. Su tamaño y ubicación geográfica se han unido a las estaciones de GMVA en todo el mundo para brindar por primera vez una visión del chorro y el flujo de acreción en M87 en una sola imagen” explica Hugo Messias, líder de observaciones VLBI en ALMA y coautor en este estudio. “Esto tiene tremendas implicaciones para nuestro conocimiento, ya que la información obtenida es más que una imagen, también nos permite inferir a qué velocidad está creciendo el agujero negro y de dónde proviene el chorro, sin embargo, es necesario observar otros casos y estudiarlos para obtener conclusiones estadísticamente representativas sobre agujeros negros y chorros, de ahí la necesidad de las observaciones VLBI anuales a las que se suma ALMA”.

La luz de M87 es producida por la interacción entre electrones altamente energéticos y campos magnéticos, un fenómeno llamado radiación de sincrotrón. Las nuevas observaciones, a una longitud de onda de 3,5 mm, revelan más detalles sobre la ubicación y la energía de estos electrones. También nos dicen algo sobre la naturaleza del propio agujero negro: no tiene mucha hambre. Consume materia a un ritmo bajo, convirtiendo solo una pequeña fracción en radiación. Keiichi Asada de la Academia Sínica, Instituto de Astronomía y Astrofísica, explica: "Para comprender el origen físico del anillo más grande y más grueso, tuvimos que usar simulaciones por computadora para probar diferentes escenarios. Como resultado, concluimos que la mayor extensión del anillo está asociado con el flujo de acreción”.

Kazuhiro Hada, del Observatorio Astronómico Nacional de Japón, agrega: "También encontramos algo sorprendente en nuestros datos: la radiación de la región interna cercana al agujero negro es más amplia de lo que esperábamos. Esto podría significar que hay algo más que gas cayendo. También podría haber un viento soplando, causando turbulencia y caos alrededor del agujero negro”.

La búsqueda para aprender más sobre M87 no ha terminado, ya que más observaciones y una flota de poderosos telescopios continúan descubriendo sus secretos. "Las observaciones futuras en longitudes de onda milimétricas estudiarán la evolución temporal del agujero negro M87 y proporcionarán una vista policromática del agujero negro con imágenes de múltiples colores en luz de radio", dice Jongho Park del Instituto de Ciencias Espaciales y Astronomía de Corea.

ALMA participa en una nueva campaña de observación VLBI del 12 de abril al 10 de mayo de 2023 para estudiar más a fondo M87 y otras fuentes.

Información adicional

Este trabajo de investigación se ha presentado en el artículo científico "A ring-like accretion structure in M87 connecting its black hole and jet", publicado en la revista Nature (doi: 10.1038/s41586-023-05843-w).

El equipo está formado por: Ru-Sen Lu (Observatorio Astronómico de Shanghai, República Popular China [Shanghai]; Laboratorio Key de Radioastronomía, República Popular China [KLoRA]; Instituto Max-Planck de Radioastronomía, Alemania [MPIfR]); Keiichi Asada (Instituto de Astronomía y Astrofísica, Academia Sinica, Taiwan, ROC [IoAaA]); Thomas P. Krichbaum (MPIfR); Jongho Park (IoAaA; Instituto de Astronomía y Ciencias Espaciales de Corea, República de Corea [KAaSSI]); Fumie Tazaki (Departamento de Desarrollo de Tecnologías de Simulación, Tokyo Electron Technology Solutions Ltd., Japón; Observatorio VLBI Mizusawa, Observatorio Astronómico Nacional de Japón, Japón [Mizusawa]); Hung-Yi Pu (Departamento de Física, Universidad Normal Nacional de Taiwán, Taiwán, ROC; IoAaA; Centro de Astronomía y Gravitación, Universidad Normal Nacional de Taiwán, Taiwán, ROC); Masanori Nakamura (Instituto Nacional de Tecnología, Hachinohe College, Japón; IoAaA); Andrei Lobanov (MPIfR); Kazuhiro Hada (Mizusawa; Departamento de Ciencias Astronómicas, The Graduate University for Advanced Studies, Japón); Kazunori Akiyama (Iniciativa Black Hole de la Universidad de Harvard, EE.UU.; Observatorio Haystack del Instituto de Tecnología de Massachusetts, EE.UU. [Haystack]; Observatorio Astronómico Nacional de Japón, Japón [NAOoJ]); Jae-Young Kim (Departamento de Astronomía y Ciencias Atmosféricas, Universidad Nacional de Kyungpook, República de Korea; KAaSSI; MPIfR); Iván Martí-Vidal (Departamento de Astronomía y Astrofísica, Universidad de Valencia, España; Observatorio Astronómico, Universidad de Valencia, España); José L. Gómez (Instituto de Astrofísica de Andalucía-CSIC, España [IAA]); Tomohisa Kawashima (Instituto para la Investigación en Rayos Cósmicos, The University of Tokyo, Japón); Feng Yuan (Shanghai; Laboratorio Key para la Investigación en Galacias y Cosmología, Academia de Ciencias de China, República Popular China; Escuela de Astronomía y Ciencias Espaciales, Universidad de la Academia de Ciencias China, República Popular China [SoAaSS]); Eduardo Ros (MPIfR); Walter Alef (MPIfR); Silke Britzen (MPIfR); Michael Bremer (Instituto de Radioastronomía Milimétrica, Francia [IRAMF]); Avery E. Broderick (Departamento de Física y Astronomía, Universidad de Waterloo, Canadá [Waterloo]; Centro de Astrofísica de Waterloo, Universidad de Waterloo, Canadá; Instituto Perimeter de Física Teórica, Canadá); Akihiro Doi (Instituto de Ciencias Espaciales y Aeronáutica, Agencia de Exploración Aeroespacial Japonesa, Japón; Departamento de Ciencias Espaciales y Astronáutica, SOKENDAI, Japón [SOKENDAI]); Gabriele Giovannini (Departamento de Física y Astronomía, Universidad de Bolonia, Italia; Instituto de Radio Astronomía, INAF, Bolonia, Italia, [INAF]); Marcello Giroletti (INAF); Paul T. P. Ho (IoAaA); Mareki Honma (Mizusawa; Hachinohe; Departamento de Astronomía, La Universidad de Tokio, Japón); David H. Hughes (Instituto Nacional de Astrofísica, México); Makoto Inoue (IoAaA); Wu Jiang (Shanghai); Motoki Kino (NAOoJ; Universidad Kogakuin de Tecnología e Ingeniería, Japón); Shoko Koyama (Universidad de Niigata, Japón; IoAaA); Michael Lindqvist (Departamento de Espacio, Tierra y Medio Ambiente, Universidad Chalmers de Tecnología, Suecia [Chalmers]); Jun Liu (MPIfR); Alan P. Marscher (Instituto para la Investigación en Astrofísica, Universidad de Boston, EE.UU.); Satoki Matsushita (IoAaA); Hiroshi Nagai (NAOoJ; SOKENDAI); Helge Rottmann (MPIfR); Tuomas Savolainen (Departamento de Electrónica y Nanoingeniería, Universidad de Aalto, Finlandia; Radio Observatorio de Metsähovi, Finlandia [Metsähovi]; MPIfR); Karl-Friedrich Schuster (IRAMF); Zhi-Qiang Shen (Shanghai; KLoRA); Pablo de Vicente (Observatorio de Yebes, Spain [Yebes]); R. Craig Walker (Observatorio Nacional de Radioastronomía, Socorro, EE.UU.); Hai Yang (Shanghai; SoAaSS); J. Anton Zensus (MPIfR); Juan Carlos Algaba (Departamento de Física, Universidad Malaya, Malasia); Alexander Allardi (Universidad de Vermont, EE.UU.); Uwe Bach (MPIfR); Ryan Berthold (Observatorio de Asia del Este, EE.UU. [EAO]); Dan Bintley (EAO); Do-Young Byun (KAaSSI; Universidad de Ciencia y Tecnología, Daejeon, República de Corea); Carolina Casadio (Instituto de Astrofísica, Heraklion, Grecia; Departamento de Física, Universidad de Creta, Grecia); Shu-Hao Chang (IoAaA); Chih-Cheng Chang (Instituto Nacional Chung-Shan de Ciencia y Tecnología, Taiwán, ROC [Chung-Shan]); Song-Chu Chang (Chung-Shan); Chung-Chen Chen (IoAaA); Ming-Tang Chen (Instituto de Astronomía y Astrofísica, Academia Sinica, EE.UU. [IAAAS]); Ryan Chilson (IAAAS); Tim C. Chuter (EAO); John Conway (Chalmers); Geoffrey B. Crew (Haystack); Jessica T. Dempsey (EAO; Astron, Países Bajos [Astron]); Sven Dornbusch (MPIfR); Aaron Faber (Universidad del Oeste, Canadá); Per Friberg (EAO); Javier González García (Yebes); Miguel Gómez Garrido (Yebes); Chih-Chiang Han (IoAaA); Kuo-Chang Han (Centro de Desarrollo de Sistemas, Instituto Nacional Chung-Shan de Ciencia y Tecnología, Taiwán, ROC); Yutaka Hasegawa (universidad Metropolitana de Osaka, Japón [Osaka]); Rubén Herrero-Illana (Observatorio Europeo Austral, Chile); Yau-De Huang (IoAaA); Chih-Wei L. Huang (IoAaA); Violette Impellizzeri (Observatorio de Leiden, Países Bajos; Observatorio Nacional de Radioastronomía, Charlottesville, EE.UU. [NRAOC]); Homin Jiang (IoAaA); Hao Jinchi (División de Investigación en sistemas Electrónicos, Instituto Nacional Chung-Shan de Ciencia y Tecnología, Taiwán, ROC); Taehyun Jung (KAaSSI); Juha Kallunki (Metsähovi); Petri Kirves (Metsähovi); Kimihiro Kimura (Agencia de Exploración Aeroespacial Japonesa, Japón); Jun Yi Koay (IoAaA); Patrick M. Koch (IoAaA); Carsten Kramer (IRAMF); Alex Kraus (MPIfR); Derek Kubo (IAAAS); Cheng-Yu Kuo (Universidad Nacional Sun Yat-Sen, Taiwán, ROC); Chao-Te Li (IoAaA); Lupin Chun-Che Lin (Departamento de Física, Universidad Nacional Cheng Kung, Taiwán, ROC); Ching-Tang Liu (IoAaA); Kuan-Yu Liu (IoAaA); Wen-Ping Lo (Departamento de Física, Universidad Nacional de Taiwán, Taiwán, ROC; IoAaA); Li-Ming Lu (Chung-Shan); Nicholas MacDonald (MPIfR); Pierre Martin-Cocher (IoAaA); Hugo Messias (Observatorio Conjunto ALMA, Chile; Osaka); Zheng Meyer-Zhao (Astron; IoAaA); Anthony Minter (Observatorio Green Bank, EE.UU.); Dhanya G. Nair (Departamento de Astronomía, Universidad de Concepción, Chile); Hiroaki Nishioka (IoAaA); Timothy J. Norton (Centro de Astrofísica | Harvard & Smithsonian, EE.UU. [CfA]); George Nystrom (IAAAS); Hideo Ogawa (Osaka); Peter Oshiro (IAAAS); Nimesh A. Patel (CfA); Ue-Li Pen (IoAaA); Yurii Pidopryhora (MPIfR; Instituto de Astronomía Argelander, Universidad de Bonn, Alemania); Nicolas Pradel (IoAaA); Philippe A. Raffin (IAAAS); Ramprasad Rao (CfA); Ignacio Ruiz (Instituto de Radioastronomía Milimétrica, Granada, España [IRAMS]); Salvador Sánchez (IRAMS); Paul Shaw (IoAaA); William Snow (IAAAS); T. K. Sridharan (NRAOC; CfA); Ranjani Srinivasan (CfA; IoAaA); Belén Tercero (Yebes); Pablo Torne (IRAMS); Thalia Traianou (IAA; MPIfR); Jan Wagner (MPIfR); Craig Walther (EAO); Ta-Shun Wei (IoAaA); Jun Yang (Chalmers); Chen-Yu Yu (IoAaA).

Esta investigación ha hecho uso de datos obtenidos con el Global Millimeter VLBI Array (GMVA), que consiste en telescopios operados por el Instituto Max-Planck de Radioastronomía (MPIfR), el Instituto de Radioastronomía Milimétrica (IRAM), el Observatorio Espacial de Onsala (OSO), el Radio Observatorio de Metsähovi (MRO), Yebes, la Red VLBI coreana (KVN), el Green Bank Telescope (GBT) y el Very Long Baseline Array (VLBA).

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 Observatorio Conjunto ALMA (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 modernización, reconstrucción y funcionamiento del Telescopio de Groenlandia (GLT) están dirigidos por el Instituto de Astronomía y Astrofísica de la Academia Sinica (ASIAA) y el Observatorio Astrofísico Smithsonian (SAO).

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