Astrónomos logran capturar la primera imagen de la sombra de un agujero negro junto a un poderoso jet

Un equipo internacional de científicos, entre los que se cuenta Dhanya G. Nair, actual investigadora postdoctoral de la Universidad de Concepción, usó nuevas observaciones en la longitud de onda milimétrica que muestra por primera vez, junto con la estructura con forma de anillo que releva la materia cayendo en el agujero negro central, un poderoso jet relativista en el prominente radio de la galaxia M87. La imagen subraya la conexión entre el flujo de acreción cercano al agujero negro supermasivo y el origen del jet. Las nuevas observaciones fueron obtenidas con el Global Millimeter VLBI Array (GMVA), complementado con el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) y el Telescopio de Groenlandia (GLT). La suma de estos dos observatorios ha aumentado las capacidades de captura de imágenes de GMVA. Los resultados serán publicados en la próxima edición de la revista Nature.

“Previamente habíamos visto el jet y el agujero negro en imágenes separadas, pero ahora hemos tomado una imagen panorámica del agujero negro junto a su jet en una nueva longitud de onda”, dijo Ru-Sen Lu, del Observatorio Astronómico de Shanghái y líder del Max Planck Research Group de la Academia China de Ciencias.

Se cree que el material circundante cae en el agujero negro en un proceso conocido como acreción. Pero nadie lo había captado directamente. “El anillo que hemos visto antes se vuelve grande y grueso en observaciones de longitud de onda de 3.5 mm. Esto muestra que el material que cae en el agujero negro produce emisiones adicionales que ahora son observadas en la nueva imagen. Esto nos da una vista más completa de los procesos físicos que actúan cerca del agujero negro”, añadió.

La participación de ALMA y el GLT en las observaciones del GMVA dan como resultado un incremento en la resolución y sensibilidad del trabajo intercontinental de los telescopios, lo que hizo posible capturar la estructura parecida a un anillo en M87, por primera vez en una longitud de onda de 3.5 mm.

El diámetro del anillo medido por el GMVA es de 64 micro segundos de arco, lo que corresponde al tamaño, por ejemplo, de un aro de luz para selfie (13 cm) usado por un astronauta en la Luna mirando de espaldas a la Tierra.

Este diámetro es 50 veces mayor que el de las observaciones del Telescopio de Horizonte de Eventos a 1.3 mm, en concordancia con las expectativas de emisión de plasma relativista en esta región.

“Con el gran aumento en la capacidad de captura de imágenes gracias a la adición de ALMA y GLT a las observaciones del GMVA, hemos ganado una nueva perspectiva. De hecho, vemos el chorro de tres crestas del cual ya conocíamos de observaciones tempranas del VLBI”, dijo Thomas Krichbaum, del Instituto Max Planck para Radio Astronomía (MPIfR) en Bonn. “Pero ahora podemos ver cómo el jet emerge de la zona de emisión en forma de anillo alrededor del agujero negro supermasivo y podemos medir su diámetro en otras longitudes de onda más largas”.

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Dhanya G. Nair, quien actualmente cursa sus estudios postdoctorales en la Universidad de Concepción, trabajó en abril de 2018 realizando observaciones con el radio telescopio de 100 metros de Effelsberg, en Alemania, operado por MPIfR, todo mientras realizaba sus estudios de doctorado en la institución europea. Los datos obtenidos fueron usados junto a los obtenidos con el resto de observatorios del GMVA, además de ALMA en el norte del país y el Telescopio de Groenlandia.

“Además contribuí con la reducción de información, específicamente de la calibración de fase y amplitud de los datos de 3,5 mm del GMVA, utilizando el Sistema de Procesamiento de Imágenes Astronómicas de la NRAO (AIPS). Para la fase de calibración, usamos el ajuste de franjas de dos pasos para detectar franjas interferométricas (luz de radio), a través de varias “baselines”. Al principio, se realizó una calibración de fase manual en las fuentes del calibrador (3C279 y 3C273), seguido del procedimiento de ajuste de franja global”, comentó Dhanya.

“También trabajé en las correcciones de paso de banda de los datos del GMVA, usando escáneres de calibración y calibración de amplitud a priori usando mediciones de temperatura del sistema y curvas de ganancia”, añadió.

Dada la proximidad de M87 (54 millones de años luz) y su gran masa, este objeto ha sido observado usando interferometría de muy larga base (VLBI) por décadas, y en este caso, el GMVA, durante 2004 y 2015, ya se encontraba investigando las características de los chorros de M87. “Con mi experiencia en la calibración de datos de GMVA y la captura en imágenes de 174 galaxias activas a 3.5mm como estudio de Ph.D, para el Instituto Max-Planck, comencé a asociarme con el presente proyecto en 2017”, especificó la investigadora postdoctoral de la UdeC.

La luz de M87

La luz de M87 es producida por la interacción entre electrones de alta energía y campos magnéticos, en un fenómeno llamado radiación de sincrotrón. Las nuevas observaciones, en una longitud de onda de 3.5 mm revelan mayores detalles sobre la localización y la energía de esos electrones. Esto también nos cuenta algo de la naturaleza misma del agujero negro: no está tan hambriento. Consume materia en un bajo rango, convirtiendo solo una pequeña fracción en radiación. Keiichi Asada de la Academia Sinica de Taiwán, Instituto de Astronomía y Astrofísica, explica: “Para entender el origen físico del anillo grande y robusto, tuvimos que usar simulaciones por computadora para testear distintos escenarios. Como resultado, concluimos que la larga extensión del anillo está asociada con el flujo de acreción”.

Kazuhiro Hada, del Observatorio Astronómico Nacional de Japón añadió: “También hemos encontrado una sorpresa en nuestros datos: la radiación desde la región interior cercana al agujero negro es más amplia de lo que esperábamos. Esto puede significar que ahí existe más que solo gas cayendo. Puede existir un viento que causa turbulencias y caos alrededor del agujero negro”.

El camino para aprender más sobre Messier 87 no ha acabado, mientras que nuevas observaciones y una flota de potentes telescopios continúen descubriendo sus secretos. “Futuras observaciones en longitudes de onda milimétricas estudiarán la evolución en el tiempo de M87 y nos darán una vista poli-cromática del agujero negro con múltiples imágenes en color en luz de radio”, dijo Jongho Park, del Instituto de Astronomía y el Espacio de Corea.

Además, en la Universidad de Concepción también se encuentran realizando trabajos relacionados a este descubrimiento. “De forma similar a las observaciones de M87 en este proyecto, nuestro equipo en el Departamento de Astronomía de la UdeC observará la Galaxia del Sombrero, Messier 84 y IC1459 en mayo de 2023. Junto a GMVA y ALMA se podrán obtener imágenes de la “vecindad” inmediata de sus agujeros negros supermasivos con una resolución de menos de 100 radios de Schwarzschild”, comentó Dhanya Nair.