Observan por primera vez un agujero negro expulsando un potente chorro de materia

Los astrónomos saben que la mayoría de las galaxias albergan un agujero negro supermasivo en su centro. Los agujeros negros son conocidos por engullir todo tipo de materia en su vecindad inmediata y que ni siquiera la luz escapa a su atracción. Pero lo que no muchos saben es que pueden lanzar poderosos chorros de materia que se extienden más allá de las galaxias en las que viven.

Eso es lo que ocurrió en un agujero negro super masivo (SMBH, por sus siglas en inglés) detectado en el centro de la galaxia M87, acción que fue registrada por primera vez por astrónomos internacionales utilizando varios super telescopios alrededor de la Tierra.

El interferómetro de imágenes de mayor resolución angular llamado Global mm-VLBI Array (GMVA) unió radiotelescopios de todo el mundo para producir estos nuevos resultados, incluidos el Observatorio Nacional de Radioastronomía (NRAO) y el Observatorio Green Bank (GBO) de la Fundación Nacional de Ciencias, Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) , Very Long Baseline Array (VLBA) y Green Bank Telescope (GBT).

Comprender cómo los agujeros negros crean chorros tan enormes ha sido un problema de larga data en astronomía. “Sabemos que los chorros son expulsados de la región que rodea los agujeros negros, pero aún no entendemos completamente cómo sucede esto realmente. Para estudiar esto directamente, necesitamos observar el origen del chorro lo más cerca posible del agujero negro”, afirmó el astrónomo Ru-Sen Lu del Observatorio Astronómico de Shanghái en China.

La nueva imagen publicada hoy muestra precisamente esto por primera vez: cómo la base de un chorro se conecta con la materia que gira alrededor de un agujero negro supermasivo. El objetivo es la galaxia M87, ubicada a 55 millones de años luz de distancia en nuestro vecindario cósmico, y hogar de un agujero negro 6.500 millones de veces más masivo que el Sol. Las observaciones anteriores habían logrado obtener imágenes por separado de la región cercana al agujero negro y al chorro, pero esta es la primera vez que ambas características se observan juntas. “Esta nueva imagen completa la imagen al mostrar la región alrededor del agujero negro y el chorro al mismo tiempo”, agregó Jae-Young Kim de la Universidad Nacional Kyungpook en Corea del Sur y el Instituto Max Planck de Radioastronomía en Alemania.

El SMBH en el centro de la galaxia M87 es el más reconocible del Universo. Fue el primer agujero negro capturado en una imagen, creada por el Event Horizon Telescope (EHT) y hecha pública en 2019. La imagen de su núcleo denso y oscuro enmarcado por un anillo amorfo brillante fue noticia internacional. “M87 se ha observado durante muchas décadas, y hace 100 años sabíamos que el chorro estaba allí, pero no podíamos ubicarlo en contexto”, dijo en un comunicado Ru-Sen Lu, que dirige el Grupo de Investigación de la Academia de Ciencias de China y es el autor principal del nuevo artículo científico publicado en Nature.

La nueva imagen muestra el chorro emergiendo cerca del agujero negro, así como lo que los científicos llaman la sombra del agujero negro. A medida que la materia orbita alrededor del agujero negro, se calienta y emite luz. El agujero negro se dobla y captura parte de esta luz, creando una estructura similar a un anillo alrededor del agujero negro visto desde la Tierra. La oscuridad en el centro del anillo es la sombra del agujero negro, que fue fotografiada por primera vez por el Event Horizon Telescope (EHT) en 2017.

Tanto esta nueva imagen como la del EHT combinan datos tomados con varios radiotelescopios en todo el mundo, pero la imagen publicada hoy muestra la luz de radio emitida a una longitud de onda más larga que la del EHT: 3,5 mm en lugar de 1,3 mm. “En esta longitud de onda, podemos ver cómo el chorro emerge del anillo de emisión alrededor del agujero negro supermasivo central”, precisó Thomas Krichbaum del Instituto Max Planck de Radioastronomía.

El tamaño del anillo observado por la red GMVA es aproximadamente un 50 % más grande en comparación con la imagen del Event Horizon Telescope. “Para comprender el origen físico del anillo más grande y grueso, tuvimos que usar simulaciones por computadora para probar diferentes escenarios”, precisó Keiichi Asada de la Academia Sinica en Taiwán. Los resultados sugieren que la nueva imagen revela más del material que está cayendo hacia el agujero negro de lo que se pudo observar con el EHT.

Estas nuevas observaciones del agujero negro de M87 se realizaron en 2018 con el GMVA, que consta de 14 radiotelescopios en Europa y América del Norte. Además, otras dos instalaciones se vincularon a GMVA: el Telescopio de Groenlandia y ALMA, del cual ESO es socio. ALMA consta de 66 antenas en el desierto chileno de Atacama y desempeñó un papel clave en estas observaciones. Los datos recopilados por todos estos telescopios en todo el mundo se combinan mediante una técnica llamada interferometría, que sincroniza las señales tomadas por cada instalación individual.

El uso de muchos telescopios e instrumentos diferentes le dio al equipo una visión más completa de la estructura del agujero negro supermasivo y su chorro de lo que era posible anteriormente con EHT, y se requirió que todos los telescopios pintaran una imagen completa. Mientras que VLBA proporcionó una vista completa tanto del chorro como del agujero negro, ALMA permitió a los científicos resolver el núcleo de radio brillante de M87 y crear una imagen nítida. La sensibilidad de la superficie colectora de 100 metros del GBT permitió a los astrónomos resolver las partes del anillo tanto a gran como a pequeña escala y ver los detalles más finos.

Pero para capturar correctamente la forma real de un objeto astronómico, es importante que los telescopios estén repartidos por toda la Tierra. La mayoría de los telescopios de GMVA están alineados de este a oeste, por lo que la adición de ALMA en el hemisferio sur resultó esencial para capturar esta imagen del chorro y la sombra del agujero negro de M87. “Gracias a la ubicación y a la sensibilidad de ALMA, pudimos revelar la sombra del agujero negro y ver más profundamente la emisión del chorro al mismo tiempo”, afirmó Lu.

Las observaciones futuras con esta red de telescopios seguirán revelando cómo los agujeros negros supermasivos pueden lanzar poderosos chorros. “Planeamos observar la región alrededor del agujero negro en el centro de M87 en diferentes longitudes de onda de radio para estudiar más a fondo la emisión del chorro”, sostuvo Eduardo Ros astrónomo y coordinador científico del Instituto Max Planck de Radioastronomía. Tales observaciones simultáneas permitirían al equipo desentrañar los complicados procesos que ocurren cerca del agujero negro supermasivo.

“Hemos visto el anillo antes, pero ahora vemos el chorro. Esto pone el anillo en contexto, y es más grande de lo que pensábamos. Si piensas en él como un monstruo que escupe fuego, antes podíamos ver el dragón y el fuego, pero ahora podemos ver al dragón respirando fuego. Los próximos años serán emocionantes, ya que podremos aprender más sobre lo que sucede cerca de una de las regiones más misteriosas del Universo”, concluyó Ros.

Las partes del agujero negro no solo son más grandes que las observaciones de longitud de onda más corta reveladas anteriormente, sino que ahora es posible confirmar el origen del chorro. Este chorro nació de la energía creada por los campos magnéticos que rodean el núcleo giratorio del agujero negro y los vientos que se elevan desde el disco de acreción del agujero negro.

“Estos resultados mostraron, por primera vez, dónde se está formando el chorro. Antes de esto, había dos teorías sobre su origen. Pero esta observación en realidad mostró que la energía de los campos magnéticos y los vientos están trabajando juntos”, dijo Toney Minter, coordinador de GMVA del Green Bank Telescope.

Harshal Gupta, Oficial de Programas de la NSF para el Observatorio Green Bank, agregó: “Este descubrimiento es una poderosa demostración de cómo los telescopios que poseen capacidades complementarias pueden usarse para avanzar fundamentalmente en nuestra comprensión de los objetos y fenómenos astronómicos. Es emocionante ver que los diferentes tipos de radiotelescopios respaldados por NSF funcionan de manera sinérgica como elementos importantes del GMVA para permitir una visión general del agujero negro y el chorro de M87″.

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