M87* un año después: Se suman datos y se perfecciona la imagen de la sombra del mítico agujero negro

La Colaboración del Telescopio de Horizonte de Eventos (EHT) ha lanzado nuevas imágenes de M87*, el agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia Messier 87, usando datos de observaciones realizadas en abril de 2018. Con la participación del entonces recientemente integrado Telescopio de Groenlandia y una mejora radical en la tasa de registro de información a lo largo del conjunto de radiotelescopios, las observaciones de 2018 nos entregan una vista independiente a las primeras observaciones en 2017. Un artículo publicado recientemente en la revista Astronomy & Astrophysics presenta nuevas imágenes con datos obtenidos en 2018, los que revelan un anillo de aspecto familiar, del mismo tamaño al observado en 2017. Tal anillo brillante rodea a una profunda depresión central, “la sombra del agujero negro”, tal como lo predice la relatividad general. Curiosamente, la parte más brillante del anillo se ha movido unos 30°a comparación de las imágenes de 2017, lo que es consistente con nuestro entendimiento teórico de la variabilidad del material turbulento alrededor de los agujeros negros.

“Un requisito fundamental de la ciencia es que se puedan reproducir los resultados”, dijo el investigador asociado del Instituto de Astronomía y Astrofísica de la Academia Sínica en Taiwán en Dr. Keiichi Asada. “La confirmación del anillo, presente en un conjunto de datos completamente nuevo, es un gran hito en nuestra colaboración y un fuerte indicador de que estamos observando la sombra del agujero negro y el material que lo 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, que vive a 55 millones de años luz de la Tierra. La imagen del agujero negro revelaba un anillo brillante, con un mayor destello en la parte sur. Análisis posteriores de los mismos datos también revelaron la estructura de M87* en luz polarizada, dándonos mayores señales sobre la geometría del campo magnético y la naturaleza del plasma alrededor del agujero negro.

La nueva era en la captura de imágenes de agujeros negros, encabezada por el extenso análisis de las observaciones de M87* en 2017, abrieron una nueva ventana que nos permite investigar la astrofísica de estos a la vez que se prueba la teoría de la relatividad general a un nivel fundamental. Nuestros modelos teóricos nos dicen que el estado de la materia alrededor de M87* no debiera estar correlacionado entre 2017 y 2018.  Por tanto, múltiples observaciones de M87* nos ayudan a imponer restricciones independientes a la estructura del plasma y el campo magnético alrededor del agujero negro, y desenredar la complicada astrofísica de los efectos de la relatividad general.

Nueva ampliación del EHT: El Telescopio de Groenlandia

Para ayudarnos a hacer nueva y emocionante ciencia, el EHT está en continuo desarrollo. El Telescopio de Groenlandia se unió al EHT en 2018, solo cinco meses después que su construcción terminara más allá del Círculo Ártico. Este nuevo telescopio mejoró significativamente la fidelidad de imagen del conjunto del EHT, mejorando la cobertura, especialmente en la dirección Norte-Sur. El Gran Telescopio Milimétrico también participó por primera vez con su superficie completa de 50 metros, mejorando grandemente su sensibilidad. El denominado “array” del EHT también fue actualizado para observar en cuatro bandas de frecuencias alrededor de 230 GHz, comparado a las solo dos bandas en 2017.  

Repetidas observaciones con un conjunto mejorado de telescopios son esenciales para demostrar la robustez de nuestros descubrimientos y fortalecer la confianza en nuestros resultados. En adición a la ciencia innovadora, el EHT sirve como una plataforma de pruebas para desarrollos de vanguardia en materia de radio interferometría de alta frecuencia.

“El avance en los esfuerzos científicos requiere una mejora continua en la calidad de la información y técnicas de análisis”, comentó Rohan Dahale, candidato a PhD en el Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA_CSIC) en España. “La incursión del Telescopio de Groenlandia llenó vacíos críticos en nuestro telescopio del tamaño de la tierra. Las observaciones de 2021, 2022 y las que vengan en 2024 dan cuenta de la mejora en el arreglo de telescopios, alentando nuestro entusiasmo para empujar las fronteras de la astrofísica de agujeros negros”.

Buenas noticias: La imagen sigue (casi) igual

El análisis de la data de 2018 deja ocho técnicas de modelado e imágenes independientes, incluidos métodos usados en el análisis previo en 2017 de M87* y otros nuevos desarrollados gracias a la experiencia colaborativa al momento de analizar Sgr A*.

La imagen de M87* tomada en 2018 es remarcablemente similar a la que vimos en 2017. Se observa un anillo brillante del mismo tamaño, con una zona oscura central y un lado más brillante que el otro. La masa y distancia de M87* no se incrementará, de forma apreciable, a lo largo de la vida humana, por lo que la relatividad general predice que el diámetro del anillo debiera seguir igual año con año. La estabilidad en las mediciones del diámetro en las imágenes de 2017 a 2018 respalda robustamente la conclusión de que M87* está bien descrito por la relatividad general.

“Una de las propiedades más destacables de un agujero negro es que su radio depende fuertemente de solo una cualidad: su masa”, dice la Dr. Nitika Yadlapalli Yurk, estudiante graduada del Instituto Tecnológico de California (Caltech por sus siglas en inglés), quien ahora ostenta una posición postdoctoral en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en California. “Dado que M87* no está acrecentando material (lo que debiera incrementar su masa) a un ritmo rápido, la relatividad general nos dice que su radio debería mantenerse sin cambios a lo largo de la historia humana. Es muy emocionante ver que nuestros datos confirman esta predicción”.

Mientras que el tamaño de la sombra del agujero negro no cambió entre 2017 y 2018, la localización de la región más brillante alrededor del anillo si ha cambiado significativamente. La zona brillante rotó cerca de 30° a contrarreloj para terminar ubicándose en la parte inferior derecha del anillo alrededor de las 5 en punto. Observaciones históricas de M87* con conjuntos de antenas menos sensitivos y con algunos telescopios menos, también indican que la estructura de la sombra cambia año a año (Wielgus 2020, ApJ, 901, 67) pero con menor precisión. Si bien el arreglo del EHT en 2018 sigue sin poder observar el chorro emergente de M87*, el eje de giro del agujero negro predicho a partir de la locación de la región más brillante alrededor del anillo es más consistente con el eje del chorro visto en otras longitudes de onda.

“El mayor cambio, que es el giro de la región brillante alrededor del anillo, es en realidad algo que predijimos cuando publicamos los primeros resultados en 2019”, dijo el Dr. Britt Jeter, quien está realizando su postdoctorado en el Instituto de Astronomía y Astrofísica de la Academia Sínica en Taiwán. “Mientras que la relatividad general dice que el tamaño del anillo debiera estar bien fijo, la emisión del turbulento y desordenado disco de acreción alrededor del agujero negro causará que la región más brillante del anillo se tambalee alrededor de un centro común. La cantidad de oscilación que vemos a lo largo del tiempo es algo que podemos usar para testear nuestras teorías sobre el campo magnético y el plasma que se encuentra alrededor del agujero negro”.

Comparativa teórica desde la Universidad de Concepción

Desde Chile, el Departamento de Astronomía de la Universidad de Concepción tiene una larga data en el estudio, tanto teórico como observacional, de los agujeros negros y núcleos activos de galaxias (AGN), zonas donde estos “monstruos espaciales” se encuentran constantemente atrayendo y “comiendo material”.

Para las primeras observaciones de 2017, el académico UdeC, investigador del centro de excelencia CATA y director del Núcleo Milenio Titans, Dr. Neil Nagar,  junto con el entonces postdoc del Departamento, Dr. Venkatessh Ramakrishnan, fueron los encargados de representar a Chile dentro del consorcio del EHT, aportando en el análisis de aquellos datos que derivaron en tal relevante descubrimiento.

Ahora Neil se encuentra al mando de un equipo, también integrante del EHT, y que analizará estos datos obtenidos en 2018, junto con guiar a miembros del Núcleo Titans para que estudien ubicaciones donde llegarán nuevos telescopios que se unirán al EHT, expandiendo de forma considerable las capacidades de observación de este telescopio virtual del tamaño de la Tierra.

“Estamos muy contentos que nuevas generaciones de astrónomos puedan acceder a este tipo de datos de primer nivel. El EHT es una plataforma que busca mover las fronteras de la astrofísica a puntos insospechados, y que investigadores en el sur de Chile podamos proveernos de tales datos es una oportunidad única a nivel mundial”, expresó el académico UdeC.

Una de estas jóvenes astrónomas es la Dra. Bidisha Bandyopadhyay, investigadora de Astronomía UdeC, la cual realizará una comparativa entre los modelos teóricos relacionados a los agujeros negros y la data obtenida en 2018.

Según detalló, ahora será importante ver qué tan bien “con estas observaciones y las nuevas a futuro, podemos comprender la naturaleza del material que cae en el agujero negro y del campo magnético existente alrededor de estos objetos”.

“Nosotros (el Dr. Neil Nagar, la Dra. Dhanya G. Nair, Bidisha y la recientemente integrada Dra. Silpa Sasikumar) hemos estado involucrados activamente en proyectos del EHT, trabajando en la captura de imágenes, calibración, análisis polarimétrico y teórico, con el fin de entender la naturaleza de los objetos más masivos del Universo y del material alrededor de ellos”, concluyó Bidisha.

Mientas que todas las publicaciones del EHT hasta ahora han presentado análisis de las observaciones de 2017, estos resultados representan los primeros esfuerzos por explorar los años de datos adicionales que hemos estado recolectando. Además del 2017 y 2018, el EHT ha realizado observaciones exitosas en 2021 y 2022 y se espera que realice observaciones en la primera mitad de 2024. Cada año, el conjunto del EHT ha mejorado de alguna forma, sea mediante la suma de nuevos telescopios, mejor hardware o frecuencias adicionales de observación. Dentro de la colaboración, trabajamos muy duro para analizar todos estos datos y estamos muy ansiosos por mostrar más resultados en el futuro.