La sombra del agujero negro M87* persiste por al menos un año

La Colaboración Event Horizon Telescope (EHT, Telescopio del Horizonte de Eventos) ha publicado nuevas imágenes de M87*, el agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia Messier 87, utilizando datos de observaciones realizadas en abril de 2018.  Con la participación del recién puesto en servicio Telescopio de Groenlandia y mejoras en todo el conjunto de radiotelescopios, las observaciones de 2018 nos dan una visión de la región alrededor de este agujero negro independiente de las primeras observaciones de 2017.

Las nuevas imágenes fueron publicadas en la revista Astronomy & Astrophysics y revelan un anillo del mismo tamaño que el observado en 2017.  Este anillo brillante rodea una profunda depresión central, la “sombra del agujero negro”, como predice la relatividad general. Con mucha emoción, la colaboración del EHT encontró que la parte más brillante del anillo se ha desplazado unos 30º en comparación con las imágenes de 2017, lo que es coherente con lo que podemos predecir de forma teórica utilizando modelos sobre el material turbulento alrededor de los agujeros negros.

“Confirmar la existencia del anillo brillante y el tamaño de la sombra del agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia M87 es importante porque nos indica que los resultados de las observaciones de 2017 son robustos”, afirma Laurent Loinard, investigador del Instituto de Radioastronomía y Astrofísica (IRyA) de la UNAM, Campus Morelia, y parte de la colaboración del EHT. “Los cambios en la posición de la zona más brillante del anillo, que suceden a lo largo de algunos meses o de un año, se esperaban debido a las predicciones teóricas”, que se pueden realizar ”una vez que se saben las característica principales del agujero negro, como su masa, su velocidad de rotación, el periodo orbital del disco de gas a su alrededor, y las propiedades de ese gas”, menciona Alejandro Cruz Osorio, del Instituto de Astronomía (IA) de la UNAM, en Ciudad Universitaria, también parte de la colaboración del EHT.

El análisis de los datos obtenidos en 2018 llevó mucho tiempo porque estos datos “son difíciles de calibrar y analizar”, comenta Laurent Loinard, añadiendo que “la colaboración estuvo muy ocupada analizando los resultados de Sgr A* de la campaña de observación de 2017, que se publicaron en 2022, y esto retrasó el análisis de los datos de 2018”. Sgr A* es el agujero negro supermasivo en el centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea.

Si bien la nueva imagen de M87* confirma los resultados previamente publicados, también tiene algunas diferencias significativas. “Del lado operacional, esta imagen incorpora nuevos telescopios comparados con los que participaron en 2017”, en particular el Telescopio de Groenlandia, “por lo que tiene mejor fidelidad y levemente mejor resolución,” resalta Laurent Loinard. “Del lado científico, la diferencia principal es que la parte más intensa (brillante) del anillo no está exactamente en la misma posición, y este cambio se esperaba”, a lo que Alejandro Cruz Osorio añade que “se midió que la zona brillante se desplazó 30 grados en comparación con su posición en la imagen del 2017.”

La Colaboración del Telescopio Event Horizon ha publicado nuevas imágenes de M87* procedentes de observaciones realizadas en abril de 2018, un año después de las primeras observaciones en abril de 2017. Las nuevas observaciones de 2018, que cuentan con la primera participación del Telescopio de Groenlandia, revelan un anillo de emisión brillante del mismo tamaño que el observado en 2017, que rodea una sombra central oscura. La parte más brillante del anillo en 2018 se ha desplazado unos 30º respecto a 2017 para situarse ahora en la posición de las 5 en punto. Crédito: Colaboración EHT.

La ciencia necesita ser reproducible, replicable y mejorable

“Un requisito fundamental de la ciencia es poder reproducir los resultados”, afirma el Dr. Keiichi Asada, investigador asociado del Instituto de Astronomía y Astrofísica Academia Sinica 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 observando 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 está a 55 millones de años luz de la Tierra. La imagen del agujero negro reveló un brillante anillo circular, más brillante en su parte sur. Un análisis más detallado de los datos también reveló la estructura de M87* en luz polarizada, lo que nos permitió conocer mejor la geometría del campo magnético y la naturaleza del plasma, gas muy caliente, que rodea al agujero negro.

La nueva era de la imagen directa de los agujeros negros, encabezada por el análisis exhaustivo de las observaciones de 2017 de M87*, abrió una nueva ventana que nos permitió investigar la astrofísica de los agujeros negros y poner a prueba 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, las múltiples observaciones de M87* nos ayudarán a establecer restricciones independientes sobre la estructura del plasma y del campo magnético alrededor del agujero negro y nos ayudarán a desenmarañar la complicada astrofísica de los efectos de la relatividad general.

El EHT está en continuo desarrollo para contribuir a la realización de nuevos y apasionantes descubrimientos científicos. El Telescopio de Groenlandia se unió al EHT por primera vez en 2018, solo cinco meses después de que se completara su construcción, más al norte del Círculo Polar Ártico. Este nuevo telescopio mejoró significativamente la fidelidad de imagen del conjunto del EHT, mejorando la cobertura de las observaciones, particularmente en la dirección Norte-Sur. El Gran Telescopio Milimétrico Alfonso Serrano, ubicado en México, también participó por primera vez con su superficie completa de 50 m, mejorando enormemente su sensibilidad. El conjunto EHT también se mejoró para observar en cuatro bandas de frecuencia alrededor de 230 GHz, en comparación con solo dos bandas en 2017.

Las observaciones repetidas con un conjunto mejorado son esenciales para demostrar la solidez de nuestros hallazgos y reforzar la confianza en nuestros resultados.  Además de la ciencia innovadora, el EHT también sirve como banco de pruebas tecnológico para desarrollos de vanguardia en interferometría de ondas de radio de alta frecuencia.

«Para avanzar en los esfuerzos científicos es necesario mejorar continuamente la calidad de los datos y las técnicas de análisis», afirma Rohan Dahale, doctorando del Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC). «La inclusión del Telescopio de Groenlandia en nuestro conjunto llenó lagunas críticas en nuestro telescopio de tamaño terrestre. Las observaciones de 2021, 2022 y la próxima de 2024 atestiguan mejoras en el conjunto, alimentando nuestro entusiasmo por ampliar las fronteras de la astrofísica de agujeros negros.»

El análisis de los datos de 2018 presenta ocho técnicas independientes de imagen y modelado, incluidos métodos utilizados en el análisis anterior de 2017 de M87* y otros nuevos desarrollados a partir de la experiencia de la colaboración analizando Sgr A*.

La imagen de M87* tomada en 2018 es notablemente similar a la 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 una vida humana, por lo que la relatividad general predice que el diámetro del anillo debería permanecer igual de un año a otro. La estabilidad del diámetro medido en las imágenes de 2017 a 2018 apoya sólidamente 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 graduada en el Instituto de Tecnología de California (Caltech), ahora becaria postdoctoral en el Laboratorio de Propulsión a Chorro en California. «Dado que M87* no está acumulando material (lo que aumentaría su masa) a gran velocidad, la relatividad general nos dice que su radio permanecerá bastante inalterado a lo largo de la historia de la humanidad. Es muy emocionante ver que nuestros datos confirman esta predicción».

Aunque 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 el sentido contrario a las agujas del reloj 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 conjunto menos sensible y menos telescopios también indicaron que la estructura de la sombra cambia anualmente pero con menos precisión. Aunque el conjunto EHT de 2018 sigue sin poder 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 coherente con el eje del chorro observado en otras longitudes de onda.

«El mayor cambio, que el pico de brillo se desplazó alrededor del anillo, es en realidad algo que predijimos cuando publicamos los primeros resultados en 2019», dijo el Dr. Britt Jeter, becario postdoctoral en el Instituto de Astronomía y Astrofísica de la Academia Sinica 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 cantidad de bamboleo que vemos con el tiempo es algo que podemos utilizar para probar nuestras teorías sobre el campo magnético y el entorno de plasma alrededor del agujero negro.»

Mientras que todos los artículos de EHT publicados hasta ahora han presentado 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 llevó a cabo con éxito observaciones en 2021 y 2022 y está previsto que realice observaciones en la primera mitad de 2024. Cada año, el conjunto EHT ha mejorado de alguna manera, ya sea mediante la adición de nuevos telescopios, mejor hardware o frecuencias de observación adicionales. Dentro de la colaboración, estamos trabajando muy duro para analizar todos estos datos y estamos entusiasmados por mostrarle más resultados en el futuro.

Más información sobre la colaboración del Event Horizon Telescope

En la colaboración EHT participan más de 300 personas de África, Asia, Europa y América del Norte y del Sur. La colaboración internacional trabaja para captar las imágenes de agujeros negros más detalladas jamás obtenidas mediante la creación de un telescopio virtual del tamaño de la Tierra. Apoyado por una considerable inversión internacional, el EHT enlaza telescopios existentes utilizando sistemas novedosos, creando un instrumento fundamentalmente nuevo con el mayor poder de resolución angular que se ha logrado hasta ahora.

Los telescopios individuales implicados 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/LMT), el Conjunto Submilimétrico (SMA), el Telescopio Submilimétrico (SMT), el Telescopio del Polo Sur (SPT), el Telescopio de Kitt Peak y el Telescopio de Groenlandia (GLT).  Los datos se correlacionaron en el Instituto Max Planck Para la Radioastronomía (MPIfR) y en el Observatorio Haystack del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT). El postprocesado se realizó dentro de la colaboración por un equipo internacional en diferentes instituciones.

El consorcio EHT está formado por 13 institutos interesados: el Instituto de Astronomía y Astrofísica de la Academia Sinica, la Universidad de Arizona, la Universidad de Chicago, el Observatorio de Asia Oriental, la Universidad de Frankfurt-Goethe, el Instituto de Radioastronomía Milimétrica, el Gran Telescopio Milimétrico Alfonso Serrano, el Instituto Max Planck para la Radioastronomía, el Observatorio Haystack del Instituto de Tecnología de Massachusetts, el Observatorio Astronómico Nacional de Japón, el Instituto Perimeter para la Física Teórica, La Universidad Radboud, y el Observatorio Astrofísico Smithsoniano.

México en el Event Horizon Telescope

El Gran Telescopio Milimétrico Alfonso Serrano, ubicado en el volcán Sierra Negra en Puebla, es uno de los observatorios en ondas de radio que participa del Event Horizon Telescope. Es mantenido por el Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE) y la Universidad de Massachusetts, Estados Unidos. La comunidad mexicana que participa de la colaboración del EHT incluye al menos a 10 personas en instituciones extranjeras o nacionales, como el IRyA y IA, de la UNAM, y el INAOE.