Un gigante en nuestro patio trasero.

Agujero negro supermasivo.
Impresión artística del corazón de la galaxia NGC 1068, que alberga un agujero negro supermasivo de alimentación activa.

Recientemente, una colección de observatorios de radio se combinó para formar el GMVA, una poderosa herramienta que exploró la región cerca del agujero negro supermasivo de nuestra galaxia. Esto produjo imágenes curiosas de esta región, brillando intensamente en una luz de radio de longitud de onda milimétrica. Estas observaciones, que involucraron tres radiotelescopios de EE. UU., VLA, VLBA y GBT, son un paso importante hacia la observación del horizonte de eventos de un agujero negro supermasivo. Aquí está esta historia de esta búsqueda hasta ahora.

Hay un gigante en nuestro patio trasero. Sabemos que está ahí, pero nadie lo ha visto nunca. Es un agujero negro supermasivo, y se esconde en el centro de nuestra galaxia.

Centro Galáctico. El centro de nuestra Galaxia Vía Láctea solo es claramente
visible para los radiotelescopios. El agujero negro supermasivo en su núcleo
es deslumbrante en las ondas de radio, rodeado por los anillos de humo
de los restos de supernova y los arcos de material atrapados en los fuertes
campos magnéticos del núcleo. Esta imagen gigantesca fue unida por
múltiples observaciones tomadas por Very Large Array (VLA).
Crédito: NRAO / AUI / NSF.

En 1931, el ingeniero Karl Jansky observó por primera vez una fuerte señal de radio cósmica que emanaba de la constelación de Sagitario, que se encuentra en dirección al centro de nuestra galaxia. Jansky asumió que las señales de radio se originaron en el centro de nuestra galaxia, pero no tenía idea de cuál podría ser esa fuente y su telescopio era incapaz de identificar la ubicación exacta de la fuente. Eso sucedió en 1974, cuando Bruce Balick y Robert Brown usaron tres antenas de radio en el Observatorio Green Bank y una cuarta antena más pequeña a unos 35 km de distancia para formar un radiotelescopio mucho más preciso llamado interferómetro.

Un interferómetro  es una forma de utilizar múltiples radiotelescopios o antenas como un solo telescopio virtual. Cuando dos platos de antena apuntan al mismo objeto en el cielo, reciben la misma señal, pero las señales no están sincronizadas porque demora un poco más en llegar a una antena que a la otra. La diferencia de tiempo depende de la dirección de las antenas y su espaciado entre sí. Al correlacionar las dos señales, puede determinar la ubicación de la fuente con mucha precisión. Con el Interferómetro de Green Bank, Balick y Brown confirmaron la fuente de radio como una pequeña región cerca del centro galáctico. Brown más tarde nombró a la fuente Sagitario A *, o Sgr A * para abreviar.

El Interferómetro de Green Bank fue un precursor del Very Large Array de NRAO (VLA). El VLA tiene una serie de 28 antenas capaces de configuraciones separadas y espaciadas, lo que la convierte en la herramienta perfecta para estudiar Sgr A *. En 1983, un equipo dirigido por Ron Ekers utilizó el VLA para crear la primera imagen de radio del Centro Galáctico, que reveló una mini espiral de gas caliente. Las observaciones posteriores mostraron no solo la espiral de gas, sino también una fuente de radio clara y clara en el centro exacto de la Vía Láctea.

Para entonces, se sospechaba que esta fuente de radio era un agujero negro masivo. Desde 1982 hasta 1998, Don Backer y Dick Sramek en el VLA midieron la posición de Sgr A * y encontraron que casi no tenía movimiento aparente. Esto significaba que debía ser extremadamente masivo ya que los tirones gravitacionales de las estrellas cercanas no lo estaban moviendo. Estimaron que debía tener una masa al menos dos millones de veces más grande que el Sol. Observaciones a largo plazo de las estrellas que orbitan el Centro Galáctico han encontrado que Sgr A * tiene aproximadamente 3,6 millones de masas solares, y las imágenes de radio precisas han confirmado que no puede ser más grande que la órbita de Mercurio. Ahora sabemos que es de hecho un agujero negro supermasivo.

GMVA y EHT líneas de base se superponen. Esta infografía detalla las
ubicaciones de los telescopios participantes del Telescopio Horizon del Evento
(EHT) y el Array Global mm-VLBI (GMVA). Su objetivo es visualizar, por primera vez,
la sombra del horizonte de eventos del agujero negro supermasivo en el centro de
la Vía Láctea, así como estudiar las propiedades de la acumulación y la salida
alrededor del Centro Galáctico. Crédito: ESO / O. Furtak.

Sabemos que un agujero negro no es lo mismo verlo directamente. Los astrónomos han soñado durante mucho tiempo con observar directamente un agujero negro, y tal vez incluso vislumbrar su horizonte de eventos. Sagittarius A * es el agujero negro supermasivo más cercano a la Tierra, por lo que se han realizado varios esfuerzos para observarlo directamente. Pero hay dos grandes retos que superar. La primera es que el centro de nuestra galaxia está rodeado de densos gases y polvo. Casi toda la luz visible de la región está oculta, por lo que no podemos observar el agujero negro con un telescopio óptico. Afortunadamente, el gas y el polvo son relativamente transparentes para la luz de la radio, por lo que los radiotelescopios pueden ver el corazón de nuestra galaxia. Pero esto lleva al segundo gran reto: la resolución.

Aunque el agujero negro Sgr A * es masivo, solo tiene el tamaño de una estrella grande. De acuerdo con la teoría de la relatividad general de Einstein, un agujero negro de 3,6 millones de masas solares tendría un horizonte de eventos solo 15 veces más ancho que el Sol. Dado que el Centro Galáctico está a unos 26,000 años luz de distancia de la Tierra, el agujero negro aparece muy pequeño en el cielo, casi del mismo tamaño aparente que una pelota de béisbol sentada en la superficie de la Luna. Para ver un objeto de radio tan pequeño, necesitarías un telescopio del tamaño de la Tierra.

Obviamente, no podemos construir un radiotelescopio del tamaño de nuestro planeta, pero con la radio interferometría podemos construir un telescopio virtual del tamaño de la Tierra. Los observatorios NRAO están trabajando actualmente con dos proyectos que intentan observar un agujero negro, el Telescopio Horizon de Evento (EHT) y el Array Global mm-VLBI (GMVA). La matriz de milimetría / submilimetría de Atacama (ALMA) participa en ambos proyectos, mientras que el telescopio Green Bank (GBT) y la matriz de línea de base muy larga (VLBA) forman parte de GMVA. Al igual que el Very Large Array, estos proyectos combinan señales de múltiples antenas. Dado que las antenas están ubicadas en todo el mundo, este telescopio virtual es del tamaño de la Tierra. Pero a diferencia de las antenas VLA, todas tienen diferentes tamaños y sensibilidades. Esta diversidad de antenas hace que sea más difícil combinar señales, pero también le da a los proyectos una gran ventaja.

Imagen de Sgr A * de GMVA. Arriba a la izquierda: Simulación de Sgr A * a 86 GHz.
Arriba a la derecha: Simulación con efectos añadidos de dispersión. Abajo a la
derecha: imagen dispersa de las observaciones, así es como vemos a Sgr A * en el cielo.
Abajo a la izquierda: la imagen no dispersada, después de eliminar los efectos de la
dispersión a lo largo de nuestra línea de visión, así es como se ve realmente Sgr A *.
Crédito: S. Issaoun, M. Mościbrodzka, Radboud University / M. D. Johnson, CfA.

En el VLA, por ejemplo, todas las antenas de la matriz son idénticas. Cada antena contribuye por igual, y la sensibilidad de la matriz depende del tamaño de una sola antena. Pero cuando se combinan telescopios, o antenas de diferentes tamaños, la sensibilidad de las antenas más grandes ayuda a aumentar la sensibilidad de las más pequeñas. El Telescopio Green Bank, por ejemplo, tiene un diámetro de 100 metros. Cuando se combina con telescopios más pequeños en un interferómetro grande, la sensibilidad total depende del tamaño promedio de todas las antenas. Esto hace que la matriz ALMA (conectada al EHT y el GMVA) y el GBT (vinculado al GMVA) sea mucho más sensible a las señales del agujero negro de la Vía Láctea, y necesitaremos toda la sensibilidad que podamos obtener para capturar la imagen. de un agujero negro.

En enero de 2019, GMVA capturó una imagen de Sagittarius A * en longitudes de onda de 3 mm, pero la dispersión de luz de 3mm por el plasma entre nosotros y Sgr A * hizo imposible ver la sombra de su horizonte de eventos. La primera imagen clara de un agujero negro fue anunciada por el telescopio Horizon de eventos en abril de 2019. Era una imagen del agujero negro en la galaxia M87. Mientras que M87 es más de 2,000 veces más distante que el agujero negro en el centro de nuestra galaxia, su agujero negro también es 1,500 veces más masivo. Es un agujero negro muy activo, y no está oculto por el gas y el polvo en nuestra galaxia, por lo que es más fácil de observar. Observar nuestro agujero negro más pequeño y silencioso es un desafío mayor. Pero al trabajar con observatorios en todo el mundo, ALMA y el GBT pronto verán claramente al gigante en nuestro patio trasero.

Contacto:
Brian Koberlein

• Publicado en NRAO el 16 de abril del 2.019, enlace publicación.

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