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

La colaboración Event Horizon Telescope ha publicado nuevas imágenes de M87* a partir de observaciones tomadas en abril de 2018, un año después de las  primeras observaciones en abril de 2017. Las nuevas observaciones en 2018, que incluye la primera participación del Telescopio de Groenlandia, revelaron un familiar anillo de emisión brillante, del mismo tamaño que el encontrado en 2017.  Este anillo brillante rodea una sombra oscura central, y cuya parte más brillante en 2018 se ha desplazado unos 30º en relación con la imagen de 2017, para ahora encontrarse en la posición de las 5 en punto. Crédito: EHT Collaboration

La colaboración Event Horizon Telescope (EHT), en la que participa el Gran Telescopio Milimétrico Alfonso Serrano y astrónomos del Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrtónica (INAOE), centro del Consejo Nacional de Humanidades, Ciencias y Tecnologías (Conahcyt), ha publicado nuevas imágenes de M87*, el agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia Messier 87, usando datos de observaciones capturadas en abril de 2018.  Con la participación del Telescopio de Groenlandia, recién puesto en servicio, y una tasa de recolección de datos dramáticamente mejorada, las observaciones de 2018 nos han dado una mirada independiente a las primeras observaciones de 2017. Un artículo reciente publicado en la revista Astronomy & Astrophysics presenta las nuevas imágenes de los datos de 2018 que revelan un familiar anillo con el mismo tamaño al observado en 2017. Este anillo brillante rodea una profunda depresión central, “la sombra del agujero negro”, como predice la relatividad general. Sorprendentemente, el pico de brillo del anillo se ha desplazado unos 30º en comparación con las imágenes de 2017, lo que concuerda con nuestra compresión 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 de Astronomía y Astrofísica de la Academia Sínica 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 ventana que nos permite 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 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 al norte del Círculo Polar Ártico. Este nuevo telescopio mejoró significativamente la fidelidad de la imagen del arreglo EHT, ampliando la cobertura, particularmente en dirección Norte-Sur. También el Gran Telescopio Milimétrico Alfonso Serrano (GTM), en México, participó por primera vez con su superficie completa de 50 m de diámetro, incrementando enormemente su sensibilidad. El arreglo 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 un arreglo mejorado son esenciales para demostrar la solidez de nuestros hallazgos y fortalecer la 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 doctor en el Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC) en España. "La inclusión del Telescopio de Groenlandia en nuestro arreglo 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 arreglo, 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 independientes de modelado y producción de imágenes, 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 fuertemente 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 becaria postdoctoral del Jet Propulsion Laboratory en 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 arreglo menos sensible y menos telescopios también indicaron, pero con menos precisión, que la estructura de la sombra cambia anualmente (Wielgus 2020, ApJ, 901, 67). Si bien el arreglo EHT de 2018 no pudo 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 pico 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 amplitud de la 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”.

“Esta participación del Gran Telescopio Milimétrico en las observaciones del EHT en la primavera de 2018 fue una de las primeras oportunidades de utilizar esta infraestructura científica después de la terminación de la expansión del reflector primario del telescopio a su tamaño final con 50 metros de diámetro” dijo Dr. David Hughes, investigador del INAOE, Director del GTM y vicepresidente de la Junta de Gobierno de la colaboración EHT.

“Debido a la ubicación del GTM, aproximadamente en el centro de la red de  telescopios participando en las observaciones, las diferentes distancias de separación entre este y los otros telescopios individuales (las líneas de base), más el incremento en la sensibilidad de la antena, se contribuyó de manera importante a la calidad de la imagen y la confirmación de la sombra de un agujero negro super masivo y su horizonte de eventos rodeado por un anillo de luz en el núcleo de la galaxia elíptica M87”.  

“Durante las observaciones del EHT en el 2018 el GTM alcanzó un desempeño sin precedentes, no solo por el aumento de la sensibilidad de la superficie primaria, también por las actualizaciones realizadas a los diversos sistemas que componen el telescopio, las cuales nos permitieron realizar observaciones con una mayor precisión astrométrica y nitidez” comentó el Dr. David Sánchez Argüelles, investigador por México asociado al Gran Telescopio Milimétrico, miembro de la colaboración EHT y encargado de las operaciones EHT en la estación GTM.

“Este proceso de mejora continua del GTM nos permite, año con año, incrementar la calidad de los datos recolectados para el EHT, lo cual nos permite indagar con mayor facilidad las propiedades del espacio-tiempo alrededor de agujeros negros supermasivos. Será muy interesante analizar las observaciones de 2021, 2022 y las que realizaremos en 2024 en el mes de abril.”

Si bien todos los artículos del EHT publicados hasta ahora han incluido 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 programado 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 entusiasmados de mostrar más resultados en el futuro.

Equipo de observación de la temporada 2018 del EHT en el Gran Telescopio Milimétrico Alfonso Serrano, que incluyó estudiantes, posdoctorantes e investigadores del INAOE, UMASS, UNAM, MIT, Harvard-Smithsonian y Universidad de Radboud. Crédito: Gopal Narayanan (UMASS).

 

El Gran Telescopio Milimétrico en los últimos momentos de observación del día 21 de abril de 2018 para la campaña del EHT. Crédito: Arturo Gómez-Ruiz (INAOE).

 

Información del artículo científico

Paper ID: A&A, volume 681, article ID = A79,

Paper DOI: https://doi.org/10.1051/0004-6361/202347932

Más información sobre el Event Horizon Telescope

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 Alfonso Serrano (GTM), 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 instituciones interesadas: el Instituto de Astronomía y Astrofísica de la Academia Sínica, 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 Alfonso Serrano, el Instituto Max Planck para Radioastronomía, el Observatorio Haystack del MIT, el Observatorio Astronómico Nacional de Japón, el Instituto Perimeter de Física Teórica, la Universidad de Radboud y el Observatorio Astrofísico Smithsoniano.