En 2017 los astrónomos captaron la primera imagen de un agujero negro coordinando antenas parabólicas de radio de todo el mundo para que actuaran como un único telescopio del tamaño de un planeta. La red sincronizada, conocida colectivamente como Event Horizon Telescope (EHT), enfocó M87, el agujero negro situado en el centro de la cercana galaxia Messier 87. La resolución láser del telescopio reveló un anillo brillante muy fino alrededor de un centro oscuro, lo que representa la primera imagen de la sombra de un agujero negro.

Los astrónomos han reenfocado ahora su visión para captar una nueva capa de M87. El equipo, que incluye científicos del Observatorio Haystack del MIT, ha aprovechado otra red mundial de observatorios -el Global millimeter VLBI Array (GMVA)- para captar una vista más ampliada del agujero negro.

Las nuevas imágenes, tomadas un año después de las observaciones iniciales del EHT, revelan un anillo más grueso y esponjoso que es un 50 por ciento más grande que el anillo del que se informó por primera vez. Este anillo más grande es un reflejo de la resolución del conjunto del telescopio, que fue ajustado para captar más del plasma supercaliente y brillante que rodea al agujero negro.

Esta imagen muestra por primera vez juntos el chorro y la sombra del agujero negro en el centro de la galaxia M87 | foto R.-S. Lu (SHAO), E. Ros (MPIfR), S. Dagnello (NRAO/AUI/NSF)

Por primera vez, los científicos han podido ver que parte del anillo del agujero negro está formado por plasma procedente de un disco de acreción circundante, un remolino de electrones al rojo vivo que, según las estimaciones del equipo, se calienta a cientos de miles de millones de grados Kelvin a medida que el plasma penetra en el agujero negro a una velocidad cercana a la de la luz.

Las imágenes también muestran una estela de plasma que sale del anillo central y que, según los científicos, forma parte de un chorro relativista que sale del agujero negro. Los científicos rastrearon estas emisiones hacia el agujero negro y observaron por primera vez que la base del chorro parece conectarse al anillo central.

Se trata de la primera imagen en la que somos capaces de precisar dónde se encuentra el anillo en relación con el potente chorro que escapa del agujero negro central, explica Kazunori Akiyama, investigador del Observatorio Haystack del MIT, que desarrolló el software utilizado para visualizar el agujero negro. Ahora podemos empezar a abordar con mayor profundidad cuestiones como la forma en que se aceleran y calientan las partículas, y muchos otros misterios en torno al agujero negro.

Akiyama forma parte de un equipo internacional de astrónomos que presentan las nuevas imágenes, junto con su análisis, en un artículo en Nature.

Messier 87 (M87) es una enorme galaxia elíptica situada a unos 55 millones de años luz de la Tierra, visible en la constelación de Virgo | foto ESO

Para captar imágenes de M87, los astrónomos utilizaron una técnica de radioastronomía conocida como interferometría de línea de base muy larga, o VLBI. Cuando una señal de radio pasa cerca de la Tierra, por ejemplo procedente de las emisiones de plasma de un agujero negro, las antenas parabólicas de radio de todo el mundo pueden captarla. Los científicos pueden entonces determinar el momento en que cada antena registra la señal y la distancia entre antenas, y combinar esta información de forma que la misma señal sea vista simultáneamente por todas las antenas como un gran telescopio a escala planetaria.

Cuando cada radiotelescopio se ajusta a una frecuencia específica, el conjunto puede enfocar una característica concreta de la señal de radio. La red del EHT se sintonizó a 1,3 milímetros, una resolución equivalente a ver un grano de arroz en California desde Massachusetts. Con esta resolución, los astrónomos pudieron ver más allá de la mayor parte del plasma que rodea a M87 y obtener imágenes del anillo más delgado, acentuando así la sombra del agujero negro.

En cambio, la red GMVA trabaja con una resolución ligeramente inferior, de 3 milímetros. Con este enfoque, el conjunto podría resolver una semilla de calabaza, en lugar de un grano de arroz. La red en sí consta de una docena de radiotelescopios repartidos por Estados Unidos y Europa, la mayoría situados a lo largo del eje este-oeste de la Tierra. Para conseguir un telescopio del tamaño de un planeta capaz de captar una señal de radio lejana procedente de M87, los astrónomos tuvieron que ampliar el «ojo» del conjunto hacia el norte y el sur.

Para ello, el equipo contó con dos radioobservatorios adicionales: el Telescopio de Groenlandia, al norte, y el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), al sur. ALMA es un conjunto de 66 antenas parabólicas de radio situadas en el desierto chileno de Atacama. Los científicos del Haystack del MIT, dirigidos por la investigadora Lynn Matthews, trabajaron para sincronizar las antenas de ALMA para que funcionaran como una parte potente y esencial de la red GMVA.

Tener estos dos telescopios como parte del conjunto global dio lugar a una resolución angular por un factor de cuatro en la dirección norte-sur, dice Matthews. Esto mejora enormemente el nivel de detalle que podemos ver. Y en este caso, una consecuencia fue un salto espectacular en nuestra comprensión de la física que opera cerca del agujero negro en el centro de la galaxia M87.

Los días 14 y 15 de abril de 2018, los astrónomos coordinaron los telescopios del GMVA, junto con los observatorios de Groenlandia y ALMA, para registrar emisiones de radio a una longitud de onda de 3 milímetros, procedentes de la dirección de la galaxia M87. A continuación, los científicos utilizaron varios algoritmos de procesamiento de imágenes, incluida la Sparse Modeling Imaging Library for Interferometry (SMILI) -un paquete de software de imágenes desarrollado por Akiyama- para procesar las observaciones del GMVA y convertirlas en imágenes visuales.

Las imágenes resultantes revelan más plasma alrededor del agujero negro, en forma de un anillo más grande y esponjoso. Los astrónomos también pudieron ver plasma saliendo del anillo central.

Lo emocionante es que seguimos viendo una sombra del agujero negro, pero también empezamos a ver un chorro más extendido, explica Akiyama. Para que el plasma emita luz a esta longitud de onda, tiene que estar muy caliente, de tal forma que cada partícula del plasma viaje casi a la velocidad de la luz. Así que las partículas se aceleran a velocidades relativistas. Y vemos que en el caso de M87, este chorro se extiende y viaja a través de una escala realmente grande.

Los astrónomos esperan precisar más propiedades del plasma del agujero negro, como su perfil de temperatura y composición. Para ello, planean ajustar el EHT y el GMVA a nuevas resoluciones. Observando M87 en múltiples longitudes de onda, podrán construir una imagen en capas y comprender con más detalle los agujeros negros y los chorros que generan.

Si algo importante ocurre en el mundo, es posible sintonizar tanto AM como FM para obtener una ‘imagen completa’ del evento, dice Geoffrey Crews, un científico investigador de Haystack que trabaja para apoyar ALMA y el EHT. Esto no es diferente. Se podría pensar que la imagen de EHT M87 se hizo en FM, y que este resultado proviene de AM. Ambas cuentan una historia, y juntas es una historia mejor.

Fuentes

Massachusetts Institute of Technology | Green Bank Observatory | European Southern Observatory | Lu, RS., Asada, K., Krichbaum, T.P. et al. A ring-like accretion structure in M87 connecting its black hole and jet. Nature 616, 686–690 (2023). doi.org/10.1038/s41586-023-05843-w

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