Event Horizon Telescope (EHT), que captó la primera imagen de un agujero negro, revela estructuras inesperadas en el cuásar 3C279

Hace aproximadamente un año, la colaboración internacional Telescopio Horizonte de Sucesos (EHT), en la que participa la Universitat de València, publicó la primera imagen de un agujero negro. Ahora, el equipo ha observado con detalle un chorro de material a alta velocidad emergiendo de otro agujero negro supermasivo. Los datos, obtenidos mediante interferometría VLBI de alta precisión, ayudan a analizar el comportamiento de la naturaleza en condiciones tan extremas. Los resultados aparecen publicados en la revista Astronomy & Astrophysics.

La colaboración del Telescopio Horizonte de Sucesos (EHT) -la red de radiotelescopios a escala planetaria que tomó el pasado año la primera imagen de un agujero negro- continúa extrayendo información de los datos recopilados en su campaña global de abril de 2017.

El objeto de estas observaciones es el cuásar 3C279, una galaxia a 5.000 millones de años luz de distancia -en la constelación de Virgo- que los científicos clasifican como un cuásar, porque en su centro brilla intensamente un punto que parpadea cuando cantidades masivas de gases y estrellas caen en el gigantesco agujero negro supermasivo que contiene su núcleo; un agujero negro de masa mil millones de veces superior a la del Sol y 200 veces superior a la del agujero negro que se encuentra en el centro de la Vía Láctea.

Este agujero negro absorbe gases y estrellas a través de un disco que lo rodea, los tritura y expulsa parte de esa materia a través de dos finos chorros de plasma –los llamados jets- que emergen como mangueras de fuego, casi a la velocidad de la luz, de las inmediaciones de su horizonte de sucesos, esa frontera que rodea al agujero negro y donde el espacio y el tiempo se deforman infinitamente y dejan de funcionar. En estas regiones entran en juego enormes fuerzas que solo se pueden estudiar mediante estos objetos; es imposible reproducir en la Tierra esas condiciones espacio-temporales tan extremas.

Los datos obtenidos ahora por los telescopios enlazados del EHT, y publicados hoy en la revista Astronomy & Astrophysics, muestran el fenómeno con un grado nitidez jamás alcanzado para 3C279, y permiten apreciar particularidades del jet y del disco en acción, que revelan detalles inesperados. Por un lado, el chorro, que se supone recto, adopta una forma retorcida en su base, lo que sugiere a la investigación diferentes posibilidades para la explicación del fenómeno, relacionadas con la presencia de otro agujero negro compañero o con efectos de arrastre del espacio-tiempo, por poner algunos ejemplos. Por otro lado, se observan por primera vez estructuras perpendiculares al jet, que, según los científicos, podrían corresponder a la zona donde nacen estos chorros, cosa que aportaría información sobre los misteriosos procesos de formación de los jets y abriría nuevos caminos para seguir aprendiendo cómo se comporta la naturaleza en estos escenarios extremos.

Al comparar las imágenes en días sucesivos, se han detectado además cambios muy sutiles en su morfología, que el equipo de investigación cree que podrían relacionarse con el mecanismo mediante el cual nacen los chorros a partir del disco de acreción, que va triturando y absorbiendo el material que acabará después emanando en forma de jet.

Fig. 1: Ilustración de la estructura de chorro 3C 279 de longitud de onda múltiple en abril de 2017. En cada panel se anotan las épocas de observación, los conjuntos y las longitudes de onda. Crédito: J.Y. Kim (MPIfR), Programa Blazar de la Universidad de Boston, y Colaboración del Telescopio Event Horizon.

"Hemos observado un escenario que hasta ahora solo habíamos visto en simulaciones por ordenador", declara Jae-Young Kim, investigador del Instituto Max Planck de Radioastronomía de Bonn (Alemania), que encabeza la investigación. "Allá donde esperábamos encontrarnos con la región donde se forma el jet, hemos detectado una sorprendente estructura perpendicular al chorro, algo tan inesperado como ir descomponiendo una muñeca matrioska y encontrarse, casi al final del proceso, con una figurita totalmente distinta. Esta es una prueba más de las sorpresas que nos depara el Universo cada vez que abrimos una nueva ventana para observarlo".

“A lo largo de las últimas décadas, observaciones de VLBI del cuásar 3C279 nos han permitido establecer un modelo físico capaz de explicar cómo estos agujeros negros supermasivos pueden convertirse en los objetos más energéticos del Universo, pero ha bastado una sola imagen del EHT para replantearnos muchas de nuestras hipótesis previas, y en particular cómo se generan los jets a partir del acrecimiento de materia en torno al agujero negro central”, comenta  José Luis Gómez, investigador del Instituto de Astrofísica de Andalucía (CSIC), miembro del equipo de investigación y uno de los principales firmantes del artículo. 

Además, el hecho de que las imágenes cambien tan rápido también ha supuesto un alto grado de sorpresa para los científicos. “De momento tenemos varios escenarios para explicar estas observaciones. En cualquier caso, el análisis de la polarización de la luz en las observaciones del EHT nos ayudará a esclarecer estos misterios en un futuro próximo”, señala Ivan Martí-Vidal, investigador CIDEGENT de la Generalitat Valenciana en el Observatorio Astronómico y el Departamento de Astronomía de la Universitat de València.

EL PAPEL DE LA UNIVERSITAT DE VALÈNCIA

Y aquí es donde la Universitat de València jugará, en breve, uno de sus papeles fundamentales en el proyecto. Iván Martí-Vidal es uno de los dos coordinadores del equipo de polarimetría del EHT, además de ser el desarrollador principal de dos de los algoritmos fundamentales para la calibración de los telescopios. "Gracias al estudio de la polarización en estas observaciones, podremos conocer con precisión la estructura de los campos magnéticos que hay inmersos en las cercanías del horizonte de sucesos" declara el científico. "Estos campos magnéticos son la clave para entender el mecanismo de formación de los jets. En este contexto, la contribución de la Universitat de València está siendo decisiva".

Otro aspecto en el que la Universitat ha jugado un papel importante ha sido la aportación de la investigadora Rebecca Azulay a la observación desde el Telescopio IRAM 30m de Pico Veleta, en Sierra Nevada (Granada), dentro de la campaña global de observación del EHT. Rebecca Azulay –astrónoma del Observatorio Astronómico y el Departamento de Astronomía y Astrofísica de la Universitat de València durante todo el transcurso de las observaciones, así como del instituto Max Planck de Radioastronomía de Bonn (Alemania)- ha contribuido a la obtención de datos desde Sierra Nevada, y también a la configuración técnica del radiotelescopio. “El telescopio IRAM de 30 metros de Sierra Nevada ha aportado información decisiva para la reconstrucción de las imágenes obtenidas”, afirma Azulay. “Esto es debido a que ha sido el único de toda Europa que pudo participar en estas observaciones, posibilitando, de esta manera, el  tamaño del interferómetro necesario para obtener la resolución alcanzada", concluye.

UN TELESCOPIO A ESCALA GLOBAL 

Los telescopios que han contribuido a este resultado son ALMA, APEX, the IRAM 30-meter Telescope, the IRAM NOEMA Observatory (expected 2021), the Kitt Peak Telescope (expected 2021), the James Clerk Maxwell Telescope (JCMT), the Large Millimeter Telescope (LMT), the Submillimeter Array (SMA), the Submillimeter Telescope (SMT), the South Pole Telescope (SPT), and the Greenland Telescope (GLT, since 2018).

Apoyado por una considerable inversión internacional, el EHT enlaza los telescopios existentes utilizando sistemas novedosos y creando un nuevo instrumento con el mayor poder de resolución angular que se haya logrado hasta ahora.

Los telescopios trabajan conectados entre sí usando la técnica de interferometría de muy larga base (VLBI), que sincroniza la señal recibida en antenas alrededor del mundo y explota la rotación de nuestro planeta para formar un enorme telescopio del tamaño de la Tierra. La técnica de VLBI permite que el EHT alcance una resolución de veinte microsegundos, equivalente a identificar una naranja en la Tierra vista por un astronauta desde la Luna. El análisis necesario para transformar en imagen los datos en bruto requiere ordenadores específicos (o correlacionadores), alojados en el MPIfR en Bonn y en el Observatorio Haystack del MIT. 

"El año pasado pudimos presentar la primera imagen de la sombra de un agujero negro. Ahora vemos cambios inesperados en la forma del jet en 3C 279, y aún no hemos terminado. Estamos trabajando en el análisis de los datos del centro de nuestra Galaxia, en Sgr A*, y en otras galaxias activas como Centaurus A, OJ 287, y NGC 1052. Como dijimos el año pasado, esto es solo el comienzo", explica Anton Zensus, director del Instituto Max Planck de Radioastronomía y presidente de la junta de la Colaboración del EHT. 

La campaña de observación de marzo/abril de 2020 del EHT fue cancelada debido al brote global de CoViD-19. "Ahora dedicaremos toda nuestra concentración a completar las publicaciones científicas de los datos de 2017 y a sumergirnos en el análisis de los datos obtenidos con la red EHT mejorada en 2018. Esperamos con interés las observaciones con la red EHT ampliada a once observatorios en la primavera de 2021", concluye Michael Hecht, astrónomo del MIT/Observatorio Haystack y director adjunto del Proyecto EHT.   

La colaboración EHT está formada por 290 investigadores de 62 instituciones de todo el mundo.