19 telescopios se unen en una observación sin precedentes del más famoso agujero negro

Los científicos planean utilizar los nuevos datos sobre el agujero negro de M87 para mejorar las pruebas de la teoría de la relatividad de Einstein.

19 abril 2021

En abril de 2019, los científicos publicaron la primera imagen de un agujero negro en la galaxia M87 utilizando el Event Horizon Telescope (EHT). Sin embargo, ese notable logro fue solo el comienzo de la historia científica venidera. Los datos de 19 observatorios publicados ahora prometen brindar una visión incomparable de este agujero negro y el sistema que alimenta, y 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 Kazuhiro Hada del Observatorio Astronómico Nacional de Japón, coautor de un nuevo estudio publicado en The Astrophysical Journal Letters que describe el gran conjunto de datos. "Pero para aprovechar al máximo esta notable imagen, necesitamos saber todo lo que podamos sobre el comportamiento del agujero negro en ese momento mediante la observación de todo el espectro electromagnético".

La inmensa atracción gravitacional de un agujero negro supermasivo puede impulsar chorros de partículas que viajan casi a la velocidad de la luz a través de grandes distancias. Los chorros de M87 producen luz que abarca todo el espectro electromagnético, desde ondas de radio hasta luz visible y rayos gamma. Este patrón es diferente para cada agujero negro. La identificación de este patrón brinda información crucial sobre las propiedades de un agujero negro, por ejemplo, su giro y producción de energía, pero es un desafío porque el patrón cambia con el tiempo.

Los científicos compensaron esta variabilidad coordinando observaciones con muchos de los telescopios más poderosos del mundo en tierra y en el espacio, recolectando luz de todo el espectro. Estas observaciones de 2017 fueron la mayor campaña de observación simultánea jamás realizada en un agujero negro supermasivo con chorros.

Tres observatorios gestionados por el Centro de Astrofísica Harvard & Smithsonian participaron en esta campaña histórica: el Submillimeter Array (SMA) en Hilo, Hawaii; el Observatorio espacial de rayos X Chandra; y el Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS) en el sur de Arizona.

Comenzando con la imagen ahora icónica del EHT de M87, un nuevo video lleva a los espectadores a un viaje a través de los datos de cada telescopio. Cada cuadro consecutivo muestra datos en muchos factores de diez en escala, tanto de longitud de onda de luz como de tamaño físico.

La secuencia comienza con la imagen de abril de 2019 del agujero negro. Luego se mueve a través de imágenes de otros conjuntos de radiotelescopios de todo el mundo (SMA), moviéndose hacia afuera en el campo de visión durante cada paso. A continuación, la vista cambia a telescopios que detectan luz visible, luz ultravioleta y rayos X (Chandra). La pantalla se divide para mostrar cómo estas imágenes, que cubren la misma cantidad de cielo al mismo tiempo, se comparan entre sí. La secuencia termina mostrando lo que los telescopios de rayos gamma en tierra (VERITAS), y Fermi en el espacio, detectan de este agujero negro y su chorro.

Cada telescopio ofrece información diferente sobre el comportamiento y el impacto del agujero negro de 6.500 millones de masas solares en el centro de M87, que se encuentra a unos 55 millones de años luz de la Tierra.

"Hay varios grupos de científicos ansiosos por ver si sus modelos concuerdan con estas ricas observaciones, y estamos entusiasmados 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" explica el coautor 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 32 países o regiones, y utilizan observatorios financiados por agencias e instituciones de todo el mundo. Las observaciones se concentraron desde finales de marzo hasta mediados de abril de 2017.

"Este increíble conjunto de observaciones incluye muchos de los mejores telescopios del mundo", dice 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 favor de la ciencia".

Los primeros resultados muestran que la intensidad de la luz producida por el material alrededor del agujero negro supermasivo de M87 fue la más baja jamás observada. 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 sucesos 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) de 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 utilizar estos datos para mejorar las pruebas de la teoría de la relatividad 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 relatividad general.

Una cuestión relacionada con dicha teoría que se aborda en el reciente estudio 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 del estudio, son probablemente la fuente 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 indicar esta ubicación, y el nuevo estudio señala que es probable que estos rayos gamma no se produzcan cerca del horizonte de sucesos, al menos no en 2017.

"Comprender la aceleración de partículas es realmente fundamental para comprender tanto la imagen EHT como los chorros, en todos sus 'colores'", explica Sera Markoff de la Universidad de Amsterdam, otro de los coautores del estudio. "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 ejecución de observación de 2021 del EHT, que aprovecha una variedad mundial de antenas de radio, la primera desde 2018. 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, durante seis noches, los astrónomos del EHT apuntan a varios agujeros negros supermasivos: el de M87 nuevamente, el de nuestra galaxia llamado Sagitario A, y varios agujeros negros más distantes. En comparación con 2017, la matriz se ha mejorado al agregar tres radiotelescopios más: el Telescopio de Groenlandia, el Telescopio Kitt Peak de 12 metros en Arizona y el Sistema Milimétrico Extendido NOrthern (NOEMA) en Francia.

Con los resultados de Sagitario A, el enorme agujero negro en el centro de la Vía Láctea, que saldrán pronto, y la reanudación de la observación este año, los científicos esperan obtener resultados aún más sorprendentes con el EHT en los próximos años. 

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