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Equipo científico observa estructura central de chorro de cuásar

Casi todas las galaxias tienen en su centro un agujero negro supermasivo, que puede tener características muy diferentes entre una galaxia y otra. Los cuásares (objetos cuasiestelares) están entre los tipos de agujero negro más brillantes y activos.

Un equipo científico internacional publicó nuevas observaciones del primer cuásar que se descubrió: 3C 273, ubicado en la constelación Virgo. En ellas se aprecian las regiones más céntricas y profundas del chorro de plasma principal del cuásar.

Los agujeros negros supermasivos emiten unos finos e intensos chorros de plasma que alcanzan velocidades cercanas a la de la luz. Si bien han sido muy estudiados por la astronomía moderna, su proceso de formación sigue siendo un misterio para la comunidad astronómica y astrofísica. Una de las preguntas que siguen sin respuesta es cómo y dónde los chorros son colimados, es decir, se concentran para formar un fino haz y así extenderse sobre distancias extremas e incluso incidir en la evolución de su galaxia. Las nuevas observaciones han permitido obtener las imágenes más detalladas a la fecha del corazón de un agujero negro, donde el flujo de plasma es colimado para generar un fino haz.

El nuevo estudio, publicado en The Astrophysical Journal (Okino et al., 2022), incluye observaciones del chorro 3C 273 a la mayor resolución angular lograda hasta ahora, que proporcionó datos sobre la zona interna del chorro, cerca del agujero negro. Esta revolucionaria investigación fue posible gracias al uso cuidadosamente coordinado de distintas antenas de radio repartidas por el mundo: una combinación del Global Millimeter VLBI Array (GMVA) y el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), ubicado en Chile. A estas observaciones se sumaron datos recabados con el High Sensitivity Array (HSA) para estudiar 3C 273 a diferentes escalas y medir el chorro.

“Hace décadas que se venía estudiando 3C 273 como el mejor representante de los chorros de cuásares”, explica Hiroki Okino, autor principal del estudio y estudiante de doctorado de la Universidad de Tokio y del Observatorio Astronómico Nacional de Japón. “Sin embargo, aunque este cuásar se encuentra cerca, hasta hace poco no teníamos herramientas lo suficientemente avanzadas para ver dónde se forma este poderoso chorro de plasma”.

La imagen del chorro de 3C 273 proporcionó al equipo científico la primera vista de la zona interna de un chorro de cuásar, donde se produce la colimación y el estrechamiento del haz. El equipo de investigación descubrió así que el ángulo del chorro de plasma proveniente del agujero negro se reduce a lo largo de una gran distancia. De esa forma, el chorro sigue estrechándose mucho más allá del área donde impera la gravedad del agujero negro.

“Llama la atención ver que este poderoso chorro cobra forma lentamente sobre una distancia tan grande en un cuásar extremadamente activo. Este fenómeno también se ha observado en agujeros negros supermasivos mucho menos activos y tenues en regiones más cercanas”, señala Kazunori Akiyama, investigador del MIT Haystack Observatory que dirigió el proyecto. “Los resultados suscitan una nueva interrogante: ¿cómo esta colimación se produce de forma tan uniforme en sistemas de agujeros negros tan variados?”.

Las imágenes increíblemente nítidas del chorro de 3C 273 obtenidas en este estudio se lograron incluyendo observaciones de ALMA. Esto, tras conectar el GMVA y ALMA, que se encuentran en continentes diferentes, para obtener información detallada de fuentes astronómicas distantes mediante el método de interferometría de línea de base muy larga (VLBI, en su sigla en inglés). La extraordinaria capacidad de VLBI de ALMA se logró gracias al ALMA Phasing Project (APP), un equipo internacional encabezado por el MIT Haystack Observatory que desarrolló el hardware y el software para convertir a ALMA y sus 66 antenas en la estación de interferometría astronómica más sensible del mundo. Los datos obtenidos a las longitudes de onda de ALMA permiten incrementar considerablemente la resolución y la sensibilidad del conjunto.

“La posibilidad de usar ALMA en las redes mundiales de VLBI ha revolucionado por completo los estudios sobre agujeros negros”, celebra Lynn Matthews, investigadora del MIT Haystack Observatory y encargada de la puesta en marcha del APP. “Nos permitió obtener las primeras imágenes de agujeros negros supermasivos, y ahora no está ayudando a ver por primera vez nuevos e increíbles detalles de la generación de chorros en los agujeros negros”.

Esta investigación allana el camino hacia nuevos estudios sobre los procesos de colimación de chorros en otros agujeros negros. Los datos obtenidos en frecuencias más elevadas permiten a los científicos observar con mayor nivel de detalle las profundidades de los cuásares y agujeros negros.

“El mecanismo de formación de chorros en agujeros negros supermasivos sigue siendo difícil de aprehender, pese a que el fenómeno se descubrió hace más de 100 años”, señala Hiroshi Nagai, profesor asociado del Proyecto ALMA en NAOJ. “Las imágenes más nítidas obtenidas con ayuda de ALMA y GMVA han mejorado considerablemente nuestra comprensión de estos chorros, y esperamos profundizar este estudio con una resolución angular aún mejor”.

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 Ministerio de Ciencia y Tecnología de Taiwán (MOST), 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.

El GMVA observa en la longitud de onda de 3 mm, utilizando las siguientes estaciones para esta investigación en abril de 2017: ocho antenas de Very Long Baseline Array (VLBA), el radiotelescopio Effelsberg de 100 m del Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR), el IRAM Telescopio de 30m, el telescopio de 20m del Observatorio Espacial de Onsala, y el Radiotelescopio de 40m del Observatorio de Yebes. Los datos se correlacionaron en el correlador DiFX VLBI en MPIfR en Bonn, Alemania.

Imágenes

Las vistas del jet 3C 273 desde lo más profundo hasta lo más lejano. La imagen de la izquierda muestra la mirada más profunda hasta el momento en el chorro de plasma del cuásar 3C 273, lo que permitirá a los científicos estudiar más a fondo cómo se coliman o estrechan los chorros del cuásar. El poderoso chorro colimado se extiende cientos de miles de años luz más allá de la galaxia anfitriona, como se ve en la imagen del panel derecho tomada por el Telescopio Espacial Hubble. Los científicos usan imágenes de radio a diferentes escalas para medir la forma de todo el chorro. Los conjuntos utilizados son el Global Millimeter VLBI Array (GMVA) junto con el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) y el High Sensitivity Array (HSA). Créditos: Hiroki Okino y Kazunori Akiyama; Imágenes GMVA+ALMA y HSA: Okino et al.; Imagen HST: ESA/Hubble y NASA.
Los radiotelescopios del Global Millimeter VLBI Array (GMVA) y ALMA se combinaron en un poderoso conjunto global llamado GMVA+ALMA, que se utilizó en este proyecto.
Crédito: Kazunori Akiyama
Los puntos azules son los telescopios del Global Millimeter VLBI Array (GMVA) unidos por ALMA. Los puntos amarillos son los telescopios de High Sensitivity Array utilizados en este proyecto. El verde indica dónde se usaron ambas redes. Crédito: Kazunori Akiyama

Contactos

Nicolas Lira Turpaud · Joint ALMA Observatory, Chile · ALMA EPO Coordinator · nicolas.lira@alma.cl · +56 9 94 45 77 26

Alvaro Gonzalez · NAOJ · interim NAOJ ALMA Officer · Alvaro.Gonzalez@nao.ac.jp · +81-422-34-3889

Nancy Wolfe Kotary · MIT Haystack Observatory, USA · nwk@mit.edu · +1-617-715-5400

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