En 2017, los astrónomos capturaron la primera imagen de un agujero negro al coordinar antenas de radio en todo el mundo para actuar como un solo telescopio del tamaño de un planeta. La red sincronizada, conocida colectivamente como Event Horizon Telescope (EHT), se centró en M87*, el agujero negro en el centro de la cercana galaxia Messier 87. La resolución enfocada con láser del telescopio reveló un anillo brillante muy delgado alrededor de un centro oscuro, que representa la primera imagen de la sombra de un agujero negro.

Los astrónomos ahora han vuelto a enfocar su vista para capturar una nueva capa de M87*. El equipo, que incluye a científicos del Observatorio Haystack del MIT, ha aprovechado otra red global de observatorios, el Global Millimeter VLBI Array (GMVA), para capturar una vista más alejada 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 que se informó por primera vez. Este anillo más grande es un reflejo de la resolución del conjunto de telescopios, que se ajustó para captar más plasma súper caliente y brillante que rodea el agujero negro.

Por primera vez, los científicos pudieron ver que parte del anillo del agujero negro consiste en plasma de un disco de acreción que lo rodea, un panqueque giratorio de electrones al rojo vivo que el equipo estima que se calienta a miles de millones de grados Celsius a medida que el plasma fluye hacia el interior. agujero negro a una velocidad cercana a la de la luz.

Las imágenes también revelan plasma saliendo del anillo central, que los científicos creen que es parte de un chorro relativista que sale disparado del agujero negro. Los científicos rastrearon estas emisiones hacia el agujero negro y observaron por primera vez que la base del chorro parece conectarse con el anillo central.

"Esta es la primera imagen en la que podemos precisar dónde está el anillo, en relación con el poderoso chorro que escapa del agujero negro central", dice Kazunori Akiyama, científico investigador del Observatorio Haystack del MIT, quien desarrolló el software de imágenes utilizado. para visualizar el agujero negro. "Ahora podemos comenzar a abordar preguntas como cómo un agujero negro captura la materia y cómo a veces logra escapar".

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

Un ojo expandido

Para capturar 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 por la Tierra, como las emisiones de plasma de un agujero negro, las antenas de radio de todo el mundo pueden captar la señal. Luego, los científicos pueden determinar el momento en que cada plato registra la señal y la distancia entre los platos, y combinar esta información de una manera análoga a la señal que ve un telescopio muy grande a escala planetaria.

Cuando cada radiotelescopio se marca a una frecuencia específica, la matriz en su conjunto puede enfocarse en una característica particular 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.

Por el contrario, la red GMVA funciona a una longitud de onda un poco más larga de 3 milímetros, lo que le da una resolución angular ligeramente más baja. Con este enfoque, la matriz podría resolver una semilla de calabaza, en lugar de un grano de arroz. La red en sí consta de alrededor de una docena de radiotelescopios repartidos por los Estados Unidos y Europa, en su mayoría ubicados a lo largo del eje este-oeste de la Tierra. Para hacer un telescopio verdaderamente del tamaño de un planeta capaz de capturar una señal de radio lejana de M87*, los astrónomos tuvieron que expandir el "ojo" de la matriz hacia el norte y el sur.

Para hacerlo, el equipo involucró dos observatorios de radio adicionales: el Telescopio de Groenlandia al norte y el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) al sur. ALMA es un conjunto de 66 antenas de radio ubicadas en el desierto de Atacama en Chile. Los científicos de MIT Haystack, incluida la científica investigadora principal Lynn Matthews, trabajaron para poner en fase o sincronizar los platos de ALMA para que funcionen como una parte poderosa y esencial de la red GMVA.

“Tener estos dos telescopios [como parte de] la matriz global dio como resultado un 

aumento en la 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 dramático en nuestra comprensión de la física que opera cerca del agujero negro en el centro de la galaxia M87”.

Sintonizando

El 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 en una longitud de onda de 3 milímetros, provenientes de la dirección de la galaxia M87. Luego, los científicos utilizaron varios algoritmos de procesamiento de imágenes, incluido uno desarrollado por Akiyama, para procesar las observaciones de GMVA en imágenes visuales.

Las imágenes resultantes revelan más plasma que rodea el agujero negro, en forma de un anillo más grande y esponjoso. Los astrónomos también pudieron detectar plasma saliendo y saliendo del anillo central brillante.

“Lo emocionante es que todavía vemos un área central oscura que encierra el agujero negro, pero también comenzamos a ver un chorro más extenso que surge de este anillo central”, dice Akiyama.

Los astrónomos esperan precisar más propiedades del plasma del agujero negro, como su perfil de temperatura y composición. Para ello, planean sintonizar el EHT y el GMVA a nuevas resoluciones. Al observar M87* en múltiples longitudes de onda, pueden construir una imagen en capas y una comprensión más detallada de los agujeros negros y los chorros que generan.

“Si sucede algo importante en el mundo, es posible que sintonice AM y FM para armar una ´imagen completa´ del evento”, dice Geoffrey Crew, un científico investigador de Haystack que trabaja para apoyar a ALMA y EHT. “Esto no es diferente. Podría pensar que la imagen EHT M87* se hizo en FM y que este resultado proviene de AM. Ambos cuentan una historia, y juntos es una mejor historia”.