Event Horizon Telescope obtiene imágenes de chorro causado por agujero negro

7 abril, 2020

Artículo Científico

Hay algo merodeando en el corazón del cuásar 3C 279. Hace un año, el equipo del proyecto Event Horizon Telescope (EHT) publicó la primera imagen de un agujero negro en la radiogalaxia M 87. Ahora, los astrónomos extrajeron información nueva de los datos del lejano cuásar 3C 279 obtenidos con el EHT: al observar con el mayor nivel de detalle a la fecha un chorro relativista originado cerca de un agujero negro supermasivo. Nuevos análisis, encabezados por Jae-Young Kim, del Instituto Max Planck de Radioastronomía (MPIfR, en su sigla en alemán), en Bonn, permitió a la colaboración trazar los chorros hasta su punto de eyección, cercano a donde se emite una violenta radiación electromagnética de espectro variable. Los resultados del estudio se publicarán en la próxima edición de la revista Astronomy & Astrophysics, en abril de 2020.

El equipo del EHT continúa extrayendo información de los datos pioneros obtenidos durante la campaña mundial de abril de 2017.  Uno de los objetos observados fue una galaxia situada a 5.000 millones de años luz de distancia, en la constelación de Virgo, clasificada como cuásar debido a que tiene una fuente de energía ultrabrillante en el centro que parpadea a medida que grandes cantidades de gas y estrellas son tragadas por un enorme agujero negro. El cuásar 3C 279 contiene un agujero negro cerca de 1.000 millones de veces más masivo que el Sol. Dos chorros de plasma son expulsados a velocidades cercanas a la velocidad de la luz desde el sistema: una consecuencia de la intensidad de las fuerzas que interactúan a medida que la materia se acerca a la inmensa gravedad del agujero negro.

Para captar esta nueva imagen, el EHT utilizó una técnica llamada Interferometría de Línea de Base Muy Larga (VLBI, pro su sigla en inglés) que conecta y sincroniza radiotelescopios alrededor del mundo. Al combinar esta red de observatorios para formar una sola antena virtual del tamaño de la Tierra, el EHT es capaz de distinguir objetos de tan solo 20 microarcosegundos el el cielo, equivalente a identificar una naranja en la Luna. Los datos captados y grabados en la red de telescopios son posteriormente transportados en discos duros para ser combinados en centros de procesamiento con supercomputadores en el MPIfR, en Bonn, y en el observatorio Haystack del MIT. Una vez combinados, deben ser cuidadosamente calibrados y analizados por equipos expertos, que permiten al EHT producir imágenes con el mayor detalle posible desde la superficie terrestre.

Para 3C 279, el EHT es capaz de medir detalles más pequeños que un año luz de extensión, permitiendo a los astrónomos seguir el chorro hasta el disco de acreción y ver ambos objetos en acción. Este nuevo análisis arrojó que el chorro, que suele ser recto, presenta una inesperada forma torcida en la base, revelando también elementos perpendiculares al chorro que podrían interpretarse como los polos del disco de acreción de donde se originan los chorros. Los detalles de las imágenes cambian con el pasar de los días, quizás debido a la rotación del disco de acreción y al material que fluye hacia él y es destrozado, fenómenos previstos por las simulaciones informáticas pero nunca antes observados. 

Jae-Young Kim, quien dirigió el análisis, muestra entusiasmo y sorpresa al mismo tiempo: “Sabemos que cada vez que se abre una nueva ventana hacia el Universo se encuentra algo nuevo. En este caso, al obtener la imagen más detallada posible esperábamos encontrar la zona donde se forma el chorro, y en cambio observamos una especie de estructura perpendicular. Es como encontrarse con una forma muy diferente de la esperada al abrir la muñeca Matryoshka más pequeña”. Asimismo, el hecho de que las imágenes cambien tan rápido también ha sido una sorpresa para los astrónomos. “Los chorros relativistas aparentemente se mueven más rápido que la luz, como en una ilusión óptica, pero este fenómeno perpendicular es nuevo y requiere un análisis cuidadoso”.   

«Este resultado es un sueño hecho realidad para cualquiera que se interese en la eyección de chorros» dice Violette Impellizzeri, astrónoma líder de las observaciones de VLBI con ALMA. «Estoy particularmente contenta de haber apoyado estas observaciones ya que realicé mi PhD con este mismo grupo, y hace 15 años estábamos intentando resolver el origen del chorro. Con la ayuda de ALMA y de todos los demás telescopios del conjunto, el EHT lo está logrando».

Debido a la alta velocidad , los chorros de 3C 279 parecen moverse a 20 veces la velocidad de la luz. «Esta extraordinaria ilusión óptica aparece porque el material se mueve hacia nosotros, alcanzando la luz que emite haciéndola parecer que va más rápido de lo que realmente se mueve,» explica Dom Pesce, un becado en el CfA. La geometría inesperada sugiere que hay ondas de choque e inestabilidades en los torcidos chorros que podrían explicar asimismo las emisiones en altas energías como rayos gamma.

Anton Zensus, director del MPIfR y presidente del directorio de la Colaboración del EHT, celebra los logros de esta colaboración internacional: “El año pasado presentamos la primera imagen de la sombra de un agujero negro. Ahora vimos cambios inesperados en la forma del chorro de 3C 279, y todavía queda por hacer. Estamos analizando datos de Sgr A*, en el centro de nuestra galaxia, y de otras galaxias activas como Centauro A, OJ 287 y NGC 1052. Como bien dijimos el año pasado, este es apenas el comienzo”.

El EHT está en permanente proceso de mejoras explica Shep Doeleman, director fundador. «Estos nuevos resultados de cuásares demuestran que las capacidades únicas del EHT pueden utilizarse para responder a un amplio conjunto de interrogantes científicas, que solo crecerán conforme agreguemos nuevos observatorios al conjunto. Nuestro equipo se encuentra ahora trabajando en la siguiente generación del EHT, que agudizará mucho el foco en agujeros negros y permitirá por primera vez generar la primera película de uno de estos objetos.

Los llamados a participar en campañas de observación del EHT se llevan a cabo todos los años a comienzos de la primavera del hemisferio norte, pero la campaña de marzo/abril de 2020 se canceló debido a la pandemia de la COVID-19. Al anunciar la cancelación, Michael Hecht, astrónomo del Haystack Observatorydel MIT y vicedirector de proyecto del EHT, concluyó: “Ahora nos concentraremos plenamente en llevar a cabo las publicaciones científicas con los datos de 2017 y en analizar los datos obtenidos con la capacitad incrementada del EHT en 2018. Estamos ansiosos por realizar nuevas observaciones con el EHT ampliado a 11 observatorios en la primavera de 2021”.

Información adicional

El 10 de abril de 2019, este proyecto de colaboración internacional, que simula un  telescopio del tamaño de la Tierra, divulgó por primera vez en la historia de la astronomía la imagen de un agujero negro, situado en el centro de la radiogalaxia Messier 87. Gracias a un cuantioso financiamiento internacional, el EHT reúne telescopios existentes a través de sistemas innovadores que crean un nuevo instrumento dotado de la mayor capacidad de resolución angular lograda a la fecha.    

Los telescopios que contribuyeron a este resultado fueron: el Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA), el Atacama Pathfinder Explorer (APEX), el telescopio de Groenlandia (desde 2018), IRAM 30 m, el observatorio IRAM NOEMA (a partir de 2021), el Kitt Peak Telescope (a partir de 2021), el James Clerk Maxwell Telescope (JCMT), el Large Millimeter Telescope (LMT), el Submillimeter Array (SMA), el Submillimeter Telescope (SMT) y el Telescopio del Polo Sur (SPT).

En el EHT colaboran 13 entidades: el Instituto de Astronomía y Astrofísica Academia Sinica, la Universidad de Arizona, la Universidad de Chicago, el East Asian Observatory, la Universidad Goethe de Fráncfort, el Instituto de Radioastronomía Milimétrica de Francia (IRAM), el Large Millimeter Telescope, el Instituto de Radioastronomía Max Planck, en Bonn, el MIT Haystack Observatory, el Observatorio Astronómico Nacional de Japón, el Perimeter Institute for Theoretical Physics, la Universidad Radboud y el Smithsonian Astrophysical Observatory.

Material adicional:

  • Animación que muestra un zoom en 3C 279 y los movimientos del chorro en una semana [Video, 7Mb, mp4
  • Versión vertical de la Figura 1 [PNG, 400 kb] [JPG, 200 kb]
  • Diagrama de la Colaboración EHT utilizada para las observaciones en 2017 [JPEG, 2.9 Mb]

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.

Imagen

: Ilustración de la estructura del chorro 3C 279 en múltiples longitudes de onda en abril de 2017. En cada recuadro se muestra la fecha, el instrumento y la longitud de onda correspondientes. Créditos: J. Y. Kim (MPIfR), Programa Blazar de la Universidad de Boston y Event Horizon Telescope.
Ilustración de la estructura del chorro 3C 279 en múltiples longitudes de onda en abril de 2017. En cada recuadro se muestra la fecha, el instrumento y la longitud de onda correspondientes. Créditos: J. Y. Kim (MPIfR), Programa Blazar de la Universidad de Boston y Event Horizon Telescope.
Animación de acercamiento a 3C 279 y de los movimientos del jet en el lapso de una semana. Crédito: EHT Collaboration

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