Staff/Rossi

En abril del 2019 un grupo de científicos dio a conocer la primera imagen de un agujero negro en la galaxia M87, usando el Telescopio de Horizonte del Eventos (EHT, por sus siglas en Inglés). Sin embargo, este remarcable logro fue solamente el inicio de una historia científica que merece ser contada. Investigadores y estudiantes del departamento de Astrofísica del Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE), contribuyeron a este esfuerzo global.

Ahora se dan a conocer datos de 19 observatorios que prometen proveer una visión sin paralelo del agujero negro y el sistema que le da poder, además de mejorar las pruebas de la teoría de la relatividad general de Einstein.

“Sabíamos que la primera imagen directa de un agujero negro sería revolucionaria”, comenta Kazushiro Hada, del Observatorio Astronómico Nacional de Japón, uno de los co-autores del nuevo estudio que se publica en The Astrophysical Journal Letters, describiendo esta gran cantidad de datos. “Pero para obtener más de esta imagen remarcable, necesitamos saber todo lo que podamos acerca del comportamiento del agujero negro en el momento en que fue tomada la imagen, observando a lo largo de todo el espectro electromagnético.”

El inmenso empuje gravitacional de un agujero negro súper masivo puede impulsar chorros de partículas que viajan a casi la velocidad de la luz a través de grandes distancias. El chorro de M87 produce luz a lo largo de todo el espectro electromagnético, desde las ondas de radio, pasando por la luz visible, hasta los rayos gamma. Este patrón es diferente para cada agujero negro. Caracterizar este patrón nos da información crucial sobre las propiedades del agujero negro (por ejemplo, su giro (spin) y energía producida), pero esto es un reto pues el patrón cambia con el tiempo.

Los científicos han compensado la variabilidad coordinando observaciones con muchos de los telescopios más potentes en la Tierra y en el espacio, recolectando luz a lo largo del espectro electromagnético. Esta es la campaña de observación simultánea más grande que se haya hecho para un agujero negro súper masivo con chorros.

Iniciando con la icónica imagen de M87 publicada por la colaboración del EHT, un nuevo vídeo lleva a los espectadores a través de un viaje en los datos obtenidos por cada telescopio. Cada encuadre consecutivo muestra datos en diferentes órdenes de magnitud, tanto de longitud de onda como de escala física. La secuencia inicia con la imagen de M87 publicada por el EHT en abril de 2019 (con datos obtenidos en abril de 2017). Después continúa a través de las imágenes de arreglos de telescopios localizados alrededor del mundo, moviéndose hacia afuera en el campo de visión en cada paso. (El ancho de los cuadros está dado en años luz, que se indican en la esquina inferior derecha). Enseguida, la vista cambia a los telescopios que detectan luz visible (Hubble y Swift), ultravioleta (Swift), y rayos X (Chandra y NuSTAR). La pantalla entonces se divide para mostrar cómo se comparan las imágenes que cubren la misma región del cielo. La secuencia finaliza mostrando lo que detectan del agujero negro y su chorro los telescopios de rayos gamma localizados en la Tierra.

Cada telescopio da información diferente acerca del comportamiento e impacto del agujero negro de 6.5 mil millones de masas solares al centro de M87, localizado a 55 millones de años luz de la Tierra.

“Hay varios grupos ansiosos por ver si sus modelos concuerdan con estas ricas observaciones, y estamos emocionados de ver que toda la comunidad usa este conjunto de datos públicos para ayudarnos a comprender mejor los vínculos profundos entre los agujeros negros y sus chorros”, dijo la coautora Daryl Haggard de la Universidad McGill en Montreal, Canadá.

Los datos fueron recopilados por un equipo de 760 científicos e ingenieros de casi 200 instituciones, que abarcan treinta y dos países o regiones, y que utilizan observatorios financiados por agencias e instituciones de todo el mundo. Las observaciones se realizaron desde finales de marzo hasta mediados de abril de 2017. El Gran Telescopio Milimétrico Alfonso Serrano (GTM), operado por el Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE) en México y la Universidad de Massachusetts Amherst (UMASS) en los EE. UU., tuvo un papel importante en las observaciones tomadas como miembro del EHT, al ser una de las estaciones dentro del arreglo con mayor área colectora.

“Este increíble conjunto de observaciones incluye muchos de los mejores telescopios del mundo”, dijo el coautor Juan Carlos Algaba de la Universidad de Malaya en Kuala Lumpur, Malasia. “Este es un maravilloso ejemplo de astrónomos de todo el mundo trabajando juntos en la búsqueda de la ciencia”.

Los primeros resultados muestran que la intensidad de la luz producida por el material alrededor del agujero negro súper masivo de M87 fue la más baja jamás vista. Esto produjo las condiciones ideales para ver la “sombra” del agujero negro, además de poder aislar la luz de las regiones cercanas al horizonte de eventos de esas decenas de miles de años luz de distancia del agujero negro.

La combinación de datos de estos telescopios y las observaciones actuales (y futuras) del EHT permitirán a los científicos llevar a cabo importantes líneas de investigación en algunos de los campos de estudio más importantes y desafiantes de la astrofísica. Por ejemplo, los científicos planean usar estos datos para mejorar las pruebas de la Teoría de la Relatividad General (GR) de Einstein. Actualmente, las incertidumbres sobre el material que gira alrededor del agujero negro y se dispara en chorros, en particular las propiedades que determinan la luz emitida, representan un obstáculo importante para estas pruebas de GR.

Una cuestión relacionada que se aborda en el estudio de hoy se refiere al origen de las partículas energéticas llamadas “rayos cósmicos”, que bombardean continuamente la Tierra desde el espacio exterior. Sus energías pueden ser un millón de veces más altas que las que se pueden producir en el acelerador más poderoso de la Tierra, el Gran Colisionador de Hadrones. Se cree que los enormes chorros lanzados desde agujeros negros, como los que se muestran en las imágenes de hoy, son la fuente más probable de rayos cósmicos de mayor energía, pero hay muchas preguntas sobre los detalles, incluida la ubicación precisa donde las partículas se aceleran. Debido a que los rayos cósmicos producen luz a través de sus colisiones, los rayos gamma de mayor energía pueden señalar esta ubicación, y el nuevo estudio indica que es probable que estos rayos gamma no se produzcan cerca del horizonte de eventos, al menos no en 2017. Una clave para resolver este debate será la comparación con las observaciones de 2018 y los nuevos datos que se recopilarán esta semana.

“Comprender la aceleración de partículas es realmente fundamental para comprender tanto la imagen del EHT como los chorros, en todos sus ‘colores’ “, dijo la coautora Sera Markoff, de la Universidad de Ámsterdam. “Estos chorros logran transportar la energía liberada por el agujero negro a escalas más grandes que la galaxia anfitriona, como un enorme cable de alimentación. Nuestros resultados nos ayudarán a calcular la cantidad de energía transportada y el efecto que tienen los chorros del agujero negro en su entorno”.

La publicación de este nuevo tesoro de datos coincide con la campaña de observación de 2021 del EHT, la primera desde 2018, que aprovecha una gama mundial de antenas de radio. La campaña del año pasado se canceló debido a la pandemia de COVID-19, y el año anterior se suspendió debido a problemas técnicos imprevistos. Esta misma semana, los astrónomos del EHT están apuntando nuevamente al agujero negro súper masivo en M87, el de nuestra galaxia (llamado Sagitario A*), junto con varios agujeros negros más distantes, durante seis noches. En comparación con 2017, el arreglo se ha mejorado al agregar tres radiotelescopios más: el Telescopio Greenland, el Telescopio Kitt Peak de 12 metros en Arizona y el NOrthern Extended Millimeter Array (NOEMA) en Francia.

“Con la publicación de estos datos, combinada con la reanudación de la observación y un EHT mejorado, sabemos que hay muchos resultados nuevos e interesantes en el horizonte”, dijo el coautor Mislav Baloković de la Universidad de Yale.

“Esperamos realizar estudios similares de VLBI en longitudes de onda milimétricas y submilimétricas de otros núcleos galácticos activos en el futuro utilizando un aumento en la resolución angular y la sensibilidad del EHT, a medida que continuamos con el desarrollo tecnológico de este arreglo. El Gran Telescopio Milimétrico tendrá un papel importante en la evolución del EHT debido al tamaño físico de su reflector primario, el sitio de gran altitud del Volcán Sierra Negra y su ubicación geográfica”, expone David Hughes, Director del GTM e investigador del INAOE. “El apoyo de las agencias de ciencia en México y los EE. UU. ha sido esencial para la participación del GTM en el EHT, tanto para equipar de instrumentos apropiados al telescopio, como para la contratación del personal de alto nivel requerido para este tipo de proyectos”, finaliza Arturo Gómez Ruiz, Catedrático CONACYT asignado al INAOE.

Información adicional

El artículo de investigación, The Astrophysical Journal Letter (Vol. 911, article L11), describiendo los resultados está disponible aquí. Este artículo fue dirigido por treinta y tres miembros del Grupo de Trabajo Científico de Longitud de Onda Múltiple del EHT, e incluye como coautores a miembros de las siguientes colaboraciones: toda la Colaboración del Telescopio de Horizonte de Eventos; la Colaboración del Telescopio de Área Grande Fermi; la colaboración H.E.S.S; la colaboración MAGIC; la colaboración VERITAS y la colaboración EAVN. Los coordinadores del Grupo de Trabajo Científico de Longitud de Onda Múltiple de EHT son Sera Markoff, Kazuhiro Hada y Daryl Haggard, quienes junto con Juan Carlos Algaba y Mislav Baloković, también coordinaron el trabajo en el documento.

Las instalaciones multi-longitud de onda incluyen: European VLBI Network (EVN); High Sensitivity Array (HSA); VLBI Exploration of Radio Astrometry (VERA); Korea VLBI Network (KVN); East Asian VLBI Network/KVN y VERA Array (EAVN/KaVA); Very Long Baseline Array (VLBA); Global Millimeter VLBI Array (GMVA); Very Large Telescope Interferometer GRAVITY Instrument (VLTI/GRAVITY); Neil Gehrels Swift Observatory (Swift); Hubble Space Telescope (HST); Chandra X-ray Observatory (Chandra); Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR); High Throughput X-ray Spectroscopy Mission and X-ray Multi-Mirror Mission (XMM-Newton); Fermi Gamma Ray Observatory Large Area Space Telescope (Fermi-LAT); High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.); Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescopes (MAGIC); Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS).

La campaña de 2017 involucró a una gran cantidad de observatorios y telescopios. En las longitudes de onda de radio, involucró: la Red Europea de Interferometría de Línea de Base Muy Larga (VLBI) (EVN) el 9 de mayo de 2017; el High Sensitivity Array (HSA), que incluye el Very Large Array (VLA), la antena Effelsberg 100m y las 10 estaciones del Observatorio Nacional de Radioastronomía (NRAO) Very Long Baseline Array (VLBA) el 15, 16 y 20 de mayo; la Exploración de Radioastronomía VLBI (VERA) en 17 ocasiones diferentes en 2017; la Red Coreana VLBI (KVN) durante siete épocas entre marzo y diciembre; la Red VLBI de Asia Oriental (EAVN) y KVN y VERA Array (KaVA), durante 14 épocas entre marzo y mayo de 2017; el VLBA el 5 de mayo de 2017; el Global Millimeter-VLBI-Array (GMVA) el 30 de marzo de 2017; el Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA); el Submillimeter Array (SMA) como parte de un programa de monitoreo continuo. En longitudes de onda ultravioleta (UV) involucró al Observatorio Neil Gehrels Swift (Swift) con múltiples observaciones entre el 22 de marzo y el 20 de abril de 2017; y a longitudes de onda ópticas: Swift; y el Telescopio Espacial Hubble el 7, 12 y 17 de abril de 2017. (Los datos del Hubble se recuperaron del archivo del Hubble porque formaban parte de un programa de observación independiente). En las longitudes de onda de rayos X, involucró al Observatorio de rayos X Chandra el 11 y 14 de abril de 2017; el Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) el 11 y 14 de abril de 2017; y Swift. En longitudes de onda de rayos gamma involucró a Fermi del 22 de marzo al 20 de abril de 2017; el High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S); los telescopios del Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov (MAGIC) y el Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS).

El grupo de trabajo EHT de longitud de onda múltiple (MWL) es un colectivo de miembros de la Colaboración EHT y socios externos que trabajan juntos para garantizar la cobertura de banda ancha MWL durante las campañas EHT, para maximizar la producción científica. La colaboración de EHT involucra a más de 300 investigadores de África, Asia, Europa, 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 inversión internacional considerable, 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.

El Gran Telescopio Milimétrico Alfonso Serrano es un proyecto operado por el Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (México) y la Universidad de Massachusetts en Amherst (EE. UU.), con financiamiento del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) y la Fundación Nacional de Ciencia (NSF).