Astrónomos obtienen imagen de campos magnéticos en los límites del agujero negro en M87
La colaboración EHT (Event Horizon Telescope o Telescopio del Horizonte de Sucesos), que produjo la primera imagen de un agujero negro, ha revelado hoy cómo se ve con luz polarizada el enorme objeto que hay en el centro de la galaxia Messier 87 (M87). Es la primera vez que los astrónomos son capaces de medir la polarización (una huella que dejan los campos magnéticos) tan cerca del borde de un agujero negro. Las observaciones son clave para explicar cómo la galaxia M87, situada a 55 millones de años luz de distancia, es capaz de lanzar chorros energéticos desde su núcleo.
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| La colaboración EHT (Event Horizon Telescope, telescopio del horizonte de sucesos), que produjo la primera imagen de un agujero negro hecha pública en 2019, ha revelado hoy cómo se ve con luz polarizada el enorme objeto que hay en el centro de la galaxia Messier 87 (M87). Es la primera vez que los astrónomos han podido medir la polarización (una huella que dejan los campos magnéticos) tan cerca del borde de un agujero negro. Esta imagen muestra la vista polarizada del agujero negro de M87. Las líneas marcan la orientación de la polarización, que está relacionada con el campo magnético que hay alrededor de la sombra del agujero negro. Crédito: EHT Collaboration |
“Lo que vemos es la siguiente evidencia crucial para entender cómo se comportan los campos magnéticos alrededor de los agujeros negros, y cómo la actividad en esta región muy compacta del espacio puede generar potentes chorros que se extienden mucho más allá de la galaxia”, afirma Monika Mościbrodzka, Coordinadora del Grupo de Trabajo de Polarimetría del EHT y Profesora Adjunta en la Universidad Radboud (Países Bajos).
El 10 de abril de 2019, un equipo de científicos publicó la primera imagen de un agujero negro, revelando una estructura brillante similar a un anillo con una región central oscura: la sombra del agujero negro. Desde entonces, la colaboración EHT ha profundizado en los datos recopilados en 2017 sobre el objeto supermasivo que se encuentra en el corazón de la galaxia M87. Han descubierto que una fracción significativa de la luz que hay alrededor del agujero negro M87 está polarizada.
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| El Telescopio de Horizonte de Sucesos (EHT, Event Horizon Telescope), un conjunto de ocho telescopios basados en tierra distribuidos por todo el planeta y formado gracias a una colaboración internacional, fue diseñado para captar imágenes de un agujero negro. En ruedas de prensa coordinadas por todo el mundo, los investigadores del EHT han revelado que han logrado obtener la primera evidencia visual directa de un agujero negro supermasivo y su sombra. La sombra de un agujero negro que vemos en la imagen es lo más cerca que podemos estar de una imagen del propio agujero negro, un objeto totalmente oscuro del que la luz no puede escapar. El límite del agujero negro —el horizonte de sucesos del que el EHT toma su nombre— es aproximadamente 2,5 veces más pequeño que la sombra que proyecta y mide casi 40.000 millones de km. Aunque puede parecer grande, este anillo se extiende sólo unos 40 microsegundos de arco, lo que equivaldría a medir la longitud de una tarjeta de crédito sobre la superficie de la Luna. Aunque los telescopios que forman el EHT no están conectados físicamente, son capaces de sincronizar sus datos con relojes atómicos — máser de hidrógeno — que miden con precisión el tiempo en que se toman las observaciones. Estas observaciones fueron recogidas en una longitud de onda de 1,3 mm durante una campaña mundial desarrollada en 2017. Cada telescopio del EHT produjo enormes cantidades de datos –aproximadamente 350 terabytes por día– que se almacenaron en discos duros de helio de alto rendimiento. Estos datos se enviaron a superordenadores especializados — conocidos como correladores — instalados en el Instituto de Radioastronomía Max Planck y el Observatorio Haystack del MIT, donde se combinaron. Luego, cuidadosamente, se convirtieron en una imagen utilizando novedosas herramientas computacionales desarrolladas por la colaboración. Crédito: EHT Collaboration |
“Este trabajo es un hito importante: la polarización de la luz lleva información que nos permite entender mejor la física que hay detrás de la imagen que vimos en abril de 2019, algo que antes no era posible”, explica Iván Martí-Vidal, también coordinador del Grupo de Trabajo de Polarimetría del EHT e Investigador Distinguido GenT en la Universidad de Valencia (España). Añade que “la presentación de esta nueva imagen de luz polarizada requirió años de trabajo debido a las complejas técnicas implicadas en la obtención y análisis de los datos”.
La luz se polariza cuando pasa por ciertos filtros, como las lentes de sol polarizadas, o cuando se emite en regiones calientes del espacio donde hay campos magnéticos. Del mismo modo en que las lentes de sol polarizadas nos ayudan a ver mejor reduciendo los reflejos y el deslumbramiento que provocan las superficies brillantes, los astrónomos pueden obtener una visión más precisa de la región que hay alrededor del agujero negro estudiando cómo se polariza la luz que se origina en ella. En concreto, la polarización permite a los astrónomos mapear las líneas de campo magnético presentes en el borde interior del agujero negro.
Según Andrew Chael, miembro de la colaboración EHT e Investigador Fellow NASA Hubble en el Centro para Ciencias Teóricas de Princeton y la Iniciativa Gravity de Princeton (EE.UU.), “Las imágenes polarizadas recién publicadas son clave para entender cómo el campo magnético permite que el agujero negro ‘coma’ materia y lance potentes chorros”.
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| Esta composición muestra tres vistas de la región central de la galaxia Messier 87 (M87) en luz polarizada y una vista, en la longitud de onda visible, tomada con el Telescopio Espacial Hubble. La galaxia tiene un agujero negro supermasivo en su centro y es famosa por sus chorros, que se extienden mucho más allá de la galaxia. La imagen del Hubble, en la parte superior, capta una parte del chorro de unos 6000 años luz de tamaño. Una de las imágenes de luz polarizada, obtenida con el conjunto de antenas ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), instalado en Chile, y del que ESO es socio, muestra parte del chorro en luz polarizada. Esta imagen capta la parte del chorro, con un tamaño de 6000 años luz, que está más cerca del centro de la galaxia. Las otras imágenes en luz polarizada se acercan al agujero negro supermasivo: la vista central cubre una región de aproximadamente un año luz de tamaño y se obtuvo con el VLBA (Very Long Baseline Array) del Observatorio Nacional de Radioastronomía, en los Estados Unidos. La vista más ampliada se obtuvo mediante la vinculación de ocho telescopios de todo el mundo para crear un telescopio virtual del tamaño de la Tierra, el EHT (Event Horizon Telescope, Telescopio de Horizonte de Sucesos). Esto permite a los astrónomos ver la zona que está muy cerca del agujero negro supermasivo, en la región donde se lanzan los chorros. Las líneas marcan la orientación de la polarización, que está relacionada con el campo magnético en las regiones que vemos en la imagen. Los datos de ALMA proporcionan una descripción de la estructura del campo magnético a lo largo del chorro. Por lo tanto, la información combinada del EHT y ALMA permite a los astrónomos investigar el papel de los campos magnéticos desde las proximidades del horizonte de sucesos (como ha demostrado el EHT en escalas de día luz) mucho más allá de la galaxia M87 a lo largo de sus potentes chorros (como se ha visto con ALMA en escalas de miles de años luz). Los valores en GHz se refieren a las frecuencias de luz en las que se realizaron las diferentes observaciones. Las líneas horizontales muestran la escala (en años luz) de cada una de las imágenes individuales. Crédito: EHT Collaboration; ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Goddi et al.; NASA, ESA and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA); VLBA (NRAO), Kravchenko et al.; J. C. Algaba, I. Martí-Vidal |
Los brillantes chorros de energía y materia que emergen del núcleo de M87 y se extienden al menos 5000 años luz desde su centro, son una de las características más misteriosas y energéticas de la galaxia. La mayoría de la materia que hay cerca del borde de un agujero negro acaba precipitándose en él. Sin embargo, algunas de las partículas circundantes escapan momentos antes de la captura y son lanzadas al espacio a grandes distancias en forma de chorros.
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| Esta imagen muestra una vista del chorro de la galaxia Messier 87 (M87) en luz polarizada. La imagen fue obtenida con el conjunto de antenas ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), del que ESO es socio, y capta la parte del chorro (con un tamaño de 6000 años luz) que se encuentra más cerca del centro de la galaxia. Las líneas marcan la orientación de la polarización, que está relacionada con el campo magnético de la región. Por tanto, esta imagen de ALMA indica cómo es la estructura del campo magnético a lo largo del chorro. Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Goddi et al. |
Los astrónomos se han basado en diferentes modelos de cómo se comporta la materia cerca de este agujero negro para entender mejor el proceso. Pero todavía no saben exactamente cómo se lanzan chorros más grandes que la propia galaxia desde su región central (comparable en tamaño al Sistema Solar), ni cómo cae la materia en el agujero negro. Con la nueva imagen obtenida por el EHT del agujero negro y su sombra en luz polarizada, los astrónomos han podido estudiar por primera vez la región que hay justo fuera del agujero negro, donde tiene lugar esta interacción entre la materia que fluye y la que es expulsada.
Las observaciones proporcionan nueva información sobre la estructura de los campos magnéticos que hay justo fuera del agujero negro. El equipo vio que, para explicar lo que están viendo en el horizonte de sucesos, solo encajaban los modelos teóricos que incluían gas fuertemente magnetizado.
“Las observaciones sugieren que los campos magnéticos del borde del agujero negro son lo suficientemente fuertes como para tirar del gas caliente, haciendo que resista la atracción gravitatoria. Sólo el gas que se desliza a través del campo puede entrar en espiral hacia el horizonte de sucesos”, explica Jason Dexter, Profesor Adjunto de la Universidad de Colorado Boulder (EE.UU.) y coordinador del Grupo de Trabajo de Teoría del EHT.
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| Esta composición muestra tres vistas de la región central de la galaxia Messier 87 (M87) en luz polarizada. La galaxia tiene un agujero negro supermasivo en su centro y es famosa por sus chorros, que se extienden mucho más allá de la galaxia. Una de las imágenes de luz polarizada, obtenida con el conjunto de antenas ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), instalado en Chile, y del que ESO es socio, muestra parte del chorro en luz polarizada. Esta imagen capta la parte del chorro, con un tamaño de 6000 años luz, que está más cerca del centro de la galaxia. Las otras imágenes en luz polarizada se acercan al agujero negro supermasivo: la vista central cubre una región de aproximadamente un año luz de tamaño y se obtuvo con el VLBA (Very Long Baseline Array) del Observatorio Nacional de Radioastronomía, en los Estados Unidos. La vista más ampliada se obtuvo mediante la vinculación de ocho telescopios de todo el mundo para crear un telescopio virtual del tamaño de la Tierra, el EHT (Event Horizon Telescope, Telescopio de Horizonte de Sucesos). Esto permite a los astrónomos ver la zona que está muy cerca del agujero negro supermasivo, en la región donde se lanzan los chorros. Las líneas marcan la orientación de la polarización, que está relacionada con el campo magnético en las regiones que vemos en la imagen. Los datos de ALMA proporcionan una descripción de la estructura del campo magnético a lo largo del chorro. Por lo tanto, la información combinada del EHT y ALMA permite a los astrónomos investigar el papel de los campos magnéticos desde las proximidades del horizonte de sucesos (como ha demostrado el EHT en escalas de día luz) mucho más allá de la galaxia M87 a lo largo de sus potentes chorros (como se ha visto con ALMA en escalas de miles de años luz). Los valores en GHz se refieren a las frecuencias de luz en las que se realizaron las diferentes observaciones. Las líneas horizontales muestran la escala (en años luz) de cada una de las imágenes individuales. Crédito: EHT Collaboration; ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Goddi et al.; VLBA (NRAO), Kravchenko et al.; J. C. Algaba, I. Martí-Vidal |
Para observar el corazón de la galaxia M87, la colaboración vinculó ocho telescopios de todo el mundo -entre ellos ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), con sede en el norte de Chile, para crear un telescopio virtual del tamaño de la Tierra, el EHT. La impresionante resolución obtenida con el EHT es equivalente a la necesaria para medir la longitud de una tarjeta de crédito en la superficie de la Luna.
“Con ALMA y APEX, que por su ubicación en el sur mejoran la calidad de imagen añadiendo ampliación geográfica a la red EHT, los científicos europeos han podido desempeñar un papel central en la investigación”, afirma Francisca Kemper, científica del Programa Europeo ALMA de ESO. “Con sus 66 antenas, ALMA domina la colección general de señales en luz polarizada, mientras que APEX ha sido esencial para la calibración de la imagen”.
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| Esta imagen muestra la aportación de ALMA y APEX al EHT. La imagen de la izquierda muestra una reconstrucción de la imagen del agujero negro usando todo el conjunto del Telescopio de Horizonte de Sucesos (incluyendo a ALMA y APEX); la imagen de la derecha muestra el aspecto que tendría la reconstrucción sin los datos de ALMA y APEX. La diferencia muestra claramente el aporte crucial de ALMA y APEX a las observaciones. Crédito: EHT Collaboration |
“Los datos de ALMA también fueron cruciales para calibrar, obtener imágenes e interpretar las observaciones del EHT, proporcionando un marco restringido a los modelos teóricos que explican cómo se comporta la materia cerca del horizonte de sucesos del agujero negro”, añade Ciriaco Goddi, científico de la Universidad de Radboud y del Observatorio de Leiden (Países Bajos), quien dirigió un estudio de apoyo que se basó únicamente en observaciones de ALMA.
«ALMA juega un papel central en todo el proceso: tiene una ubicación central para unir la matriz del EHT, y también es el telescopio más sensible del conjunto, por lo que es crucial para aprovechar al máximo los datos EHT», dijo Geoff. Crew, científico investigador de Haystack. «Además, los años de trabajo en el análisis de polarimetría de ALMA han proporcionado mucho más de lo que imaginabamos».
La configuración EHT permitió al equipo observar directamente la sombra del agujero negro y el anillo de luz a su alrededor, con la nueva imagen de luz polarizada mostrando claramente que el anillo está magnetizado. Los resultados se publican hoy en dos artículos separados de la colaboración EHT en la revista The Astrophysical Journal Letters. En la investigación participaron más de 300 investigadores de múltiples organizaciones y universidades de todo el mundo.
“El EHT está haciendo rápidos avances, se están añadiendo nuevos observatorios y se llevan a cabo actualizaciones tecnológicas. Esperamos que futuras observaciones de EHT revelen con mayor precisión la estructura del campo magnético que hay alrededor del agujero negro y nos cuenten más sobre la física del gas caliente de esta región”, concluye Jongho Park, miembro de la colaboración EHT y Fellow en la Asociación de Observatorios Principales de Asia Oriental del Instituto de Astronomía y Astrofísica de la Academia Sínica, en Taipei.
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| M87 es una enorme galaxia elíptica situada a unos 55 millones de años luz de la Tierra, visible en la constelación de Virgo. Fue descubierta por Charles Messier en 1781, pero no se identificó como una galaxia hasta el siglo XX. Con el doble de la masa de nuestra propia galaxia, la Vía Láctea, y con diez veces más estrellas, es una de las galaxias más grandes del universo local. Además de su enrome tamaño, M87 tiene algunas características muy singulares. Por ejemplo, contiene un número inusualmente alto de cúmulos globulares: mientras que nuestra Vía Láctea contiene menos de 200, M87 tiene unos 12.000, y algunos científicos teorizan que han sido captados de galaxias vecinas más pequeñas. Igual que otras grandes galaxias, M87 tiene un agujero negro supermasivo en su centro. La masa del agujero negro del centro de una galaxia se relaciona con la masa global de la galaxia, por lo que no debería sorprendernos que el agujero negro de M87 sea uno de los más masivos conocidos. El agujero negro también puede explicar una de las características más energéticas de la galaxia: un chorro relativista de materia expulsado a casi la velocidad de la luz. Hacer observaciones de un agujero negro que cambiaran nuestro paradigma era el objetivo del Telescopio del Horizonte de Sucesos, el EHT (Event Horizon Telescope. El EHT eligió el objeto destino de sus observaciones por dos razones. Aunque la resolución del EHT es increíble, tiene sus limitaciones. Dado que los agujeros negros más masivos también tienen un diámetro mayor, el agujero negro central de M87 representaba un objetivo inusualmente grande, lo que significa que podrían obtenerse imágenes más fácilmente que con agujeros negros más pequeños y cercanos. Sin embargo, la segunda razón para elegir este agujero negro era, claramente, más terrenal. Visto desde nuestro planeta, M87 está bastante cerca del ecuador celeste, lo que significa que es visible en la mayor parte de los hemisferios sur y norte. Esto maximizó el número de telescopios del EHT que pudieron observarlo, aumentando la resolución de la imagen final. Esta imagen fue captada por el instrumento FORS2, instalado en el VLT (Very Large Telescope) de ESO, como parte del programa Joyas cósmicas de ESO, una iniciativa de divulgación que utiliza los telescopios de ESO para producir imágenes de objetos interesantes, enigmáticos o visualmente atractivos, con un fin educativo y divulgativo. El programa hace uso de tiempo de telescopio que no puede utilizarse para observaciones científicas, generando impresionantes imágenes de algunos de los objetos más sorprendentes en el cielo nocturno. En caso de que los datos obtenidos sean útiles para su uso científico en el futuro, estas observaciones se conservan y se ponen a disposición de los astrónomos a través de los archivos científicos de ESO. Crédito: ESO |
Información adicional
Este trabajo de investigación se ha presentado en dos artículos cinetíficos elaborados por la colaboración EHT y publicados hoy en la revista The Astrophysical Journal Letters: «First M87 Event Horizon Telescope Results VII: Polarization of the Ring» y «First M87 Event Horizon Telescope Results VIII: Magnetic Field Structure Near The Event Horizon». Una investigación de apoyo se presenta en el artículo científico «Polarimetric properties of Event Horizon Telescope targets from ALMA» por Goddi, Martí-Vidal, Messias, y la colaboración EHT, que ha sido aceptado para su publicación en la revista The Astrophysical Journal Letters.
La colaboración EHT involucra a más de 300 investigadores de África, Asia, Europa, América del Norte y América del Sur. Esta colaboración internacional trabaja para captar las imágenes más precisas jamás obtenidas de agujeros negros mediante la creación de un telescopio virtual del tamaño de la Tierra. Con el apoyo de una considerable inversión internacional, el EHT vincula diversos telescopios utilizando sistemas novedosos, creando un instrumento fundamentalmente nuevo con la potencia de resolución angular más alta que se ha logrado nunca.
Los telescopios individuales involucrados son: ALMA, APEX, el Telescopio de 30 metros del Instituto de Radioastronomía Milimétrica (IRAM); el Observatorio IRAM NOEMA; el JCMT (Telescopio James Clerk Maxwell); el Gran Telescopio Milimétrico (GTM); el Conjunto Submilimétrico (SMA); el Telescopio Submilimétrico (SMT); el Telescopio del Polo Sur (SPT); el Telescopio Kitt Peak; y el Telescopio de Groenlandia (GLT).
El consorcio EHT está formado por 13 institutos: el Instituto de Astronomía y Astrofísica de la Academia Sínica, la Universidad de Arizona, la Universidad de Chicago, el Observatorio de Asia Oriental, la Universidad Goethe de Frankfurt, el Instituto de Radioastronomía Milimétrica, el Gran Telescopio Milimétrico, el Instituto Max Planck de Radioastronomía, el Observatorio Haystack del MIT, el Observatorio Astronómico Nacional de Japón, el Instituto Perimeter de Física Teórica, la Universidad de Radboud y del Observatorio Astrofísico Smithsoniano.
El Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), una instalación astronómica internacional, es una asociación entre el Observatorio Europeo Austral (ESO), la Fundación Nacional de Ciencia de EE. UU. (NSF) y los Institutos Nacionales de Ciencias Naturales de Japón (NINS) en cooperación con la República de Chile. ALMA es financiado por ESO en representación de sus estados miembros, por NSF en cooperación con el Consejo Nacional de Investigaciones de Canadá (NRC) y el Ministerio de Ciencia y Tecnología de Taiwán (MOST), y por NINS en cooperación con la Academia Sinica (AS) de Taiwán y el Instituto de Ciencias Astronómicas y Espaciales de Corea del Sur (KASI).
La construcción y las operaciones de ALMA son conducidas por ESO en nombre de sus estados miembros; por el Observatorio Radioastronómico Nacional (NRAO), gestionado por Associated Universities, Inc. (AUI), en representación de Norteamérica; y por el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ) en nombre de Asia del Este. El Joint ALMA Observatory (JAO) tiene a su cargo la dirección general y la gestión de la construcción, así como la puesta en marcha y las operaciones de ALMA.
Enlaces de interés.
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• Publicado en ALMA el 24 de marzo del 2021, enlace publicación.
