Observan disco de acreción de agujero negro y chorro de M87

(26 Abril, 2023 - ESO/CA) Por primera vez, astrónomos han observado, en la misma imagen, la sombra del agujero negro [1] del centro de la galaxia Messier 87 (M87) proyectada en el disco de acreción y al potente chorro expulsado. Las observaciones se realizaron en 2018 con telescopios del Global Millimetre VLBI (Very Long Baseline Interferometry) Array (GMVA), el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), del cual ESO es socio, y el Telescopio de Groenlandia (GLT). Gracias a esta nueva imagen, la comunidad astronómica puede comprender mejor cómo pueden lanzar los agujeros negros chorros tan energéticos.

Imagen: La imagen muestra el chorro y la sombra del agujero negro del centro de la galaxia M87 en el disco de acreción, juntos por primera vez. Las nuevas observaciones también revelaron que el disco del agujero negro, destacado en el recuadro, es un 50% más grande que el anillo observado en longitudes de onda de radio más cortas por el Event Horizon Telescope (EHT). Esto sugiere que en la nueva imagen vemos más del material que está cayendo hacia el agujero negro de lo que podríamos ver con el EHT. Crédito: R.-S. Lu (SHAO), E. Ros (MPIfR), S. Dagnello (NRAO/AUI/NSF). (Haga click en la imagen para agrandar).

La mayoría de las galaxias albergan un agujero negro supermasivo en su centro. Si bien los agujeros negros son conocidos por engullir materia de su vecindad inmediata la que cae hacia este girando a su alrededor, como el agua de la bañera cuando se saca el tapón. Al girar, cada vez a mayor velocidad, la materia a medida que se acerca al horizonte de eventos del agujero negro genera poderosos chorros de materia y energía que se extienden más allá de las galaxias en las que viven. Comprender cómo los agujeros negros crean estos chorros tan enormes es una incógnita desde hace mucho tiempo en astronomía. "Sabemos que los chorros son expulsados de la región que rodea a los agujeros negros, dice Ru-Sen Lu, del Observatorio Astronómico de Shanghai, en China, "pero, en realidad, todavía no entendemos del todo cómo sucede. Para estudiarlo directamente necesitamos observar el origen del chorro lo más cerca posible del agujero negro".

La nueva imagen muestra el chorro emergiendo cerca del agujero negro, y lo que los científicos llaman la sombra del agujero negro. A medida que la materia orbita el agujero negro, se calienta y emite luz. El agujero negro se curva y atrapaa parte de esta luz, creando una estructura alrededor del agujero negro que, vista desde la Tierra, tiene forma de anillo. La zona oscura 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.

Imagen: Messier 87 captada por el VLT (Very Large Telescope) de ESO. M87 es una enorme galaxia elíptica situada a unos 55 millones de años luz de la Tierra, visible en la constelación de Virgo. Se caracteriza por un chorro relativista de materia expulsado a casi la velocidad de la luz desde su centro. (Haga click en la imagen para agrandar).

M87 o Messier 87 (también conocida como Virgo A o NGC 4486) es una galaxia elíptica supergigante que vemos en la constelación de Virgo y que contiene varios miles de millones de estrellas. Es una de las galaxias más grandes y masivas del universo local, tiene una gran población de cúmulos globulares (alrededor de 15.000 en comparación con los 150–200 que orbitan la Vía Láctea ) y un chorro de plasma energético que se origina en el núcleo y se extiende por al menos 1.500 parsecs (4.900 años luz ), viajando a una velocidad relativista. Es una de las fuentes de radio más brillantes del cielo y un objetivo tanto para los astrónomos aficionados como para los profesionales.

El astrónomo francés Charles Messier descubrió M87 en 1781 y la catalogó como una nebulosa. M87 está a unos 16,4 millones de parsecs (53 millones de años luz) de la Tierra y es la segunda galaxia más brillante dentro del cúmulo norteño de Virgo, que tiene muchas galaxias satélites.

La nueva imagen publicada hoy, muestra por primera vez cómo la base de un chorro se conecta con la materia que gira alrededor de un agujero negro supermasivo en el disco de acreción. Este agujero negro es 6.500 millones de veces más masivo que el Sol.

Las observaciones anteriores habían logrado obtener imágenes separadas de la región cercana al agujero negro y al chorro, pero esta es la primera vez que ambos se observan juntas. "Ahora, al mostrar la región que hay alrededor del agujero negro y el chorro al mismo tiempo, ya tenemos la imagen completa", agrega Jae-Young Kim, de la Universidad Nacional Kyungpook, en Corea del Sur, y el Instituto Max Planck de Radioastronomía, en Alemania.

La imagen se obtuvo con el GMVA, ALMA y el GLT, formando una red global de radiotelescopios que han trabajado juntos como un telescopio virtual del tamaño de la Tierra. Una red tan grande puede discernir detalles muy pequeños en la región que hay alrededor del agujero negro de M87.

Tanto esta nueva imagen como la del EHT combinan datos tomados con varios radiotelescopios distribuidos por 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,", afirma Thomas Krichbaum, del Instituto Max Planck de Radioastronomía.

El tamaño del anillo observado por la red de GMVA es aproximadamente un 50% mayor en comparación con la imagen del Event Horizon Telescope. "Para entender el origen físico del anillo más grande y grueso, tuvimos que usar simulaciones hechas por ordenador con el fin de probar diferentes escenarios", explica Keiichi Asada, de la Academia Sinica, en Taiwán. Los resultados sugieren que la nueva imagen revela que hay más material cayendo hacia el agujero negro de lo que se pudo observar con el EHT.

En el artículo los astrónomos concluyen que:
"La forma parabólica observada es consistente con un chorro impulsado por un agujero negro a través del proceso Blandford-Znajek.
Además del chorro, en las simulaciones RIAF22,23 se han encontrado vientos no relativistas, no ligados gravitacionalmente y cargados con gran masa. Son impulsados por una combinación de fuerza centrífuga y gas y presión magnética23 y se consideran un componente esencial que colima el chorro de Blandford-Znajek en forma parabólica. Los electrones no térmicos acelerados por procesos físicos como la reconexión magnética y los choques existen presumiblemente en el viento."

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 [1]. Además, otras dos instalaciones estaban vinculadas al 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 utilizando una técnica llamada interferometría, que sincroniza las señales tomadas por cada instalación individual. Pero para captar adecuadamente la forma real de un objeto astronómico es importante que los telescopios estén repartidos por toda la Tierra. Los telescopios de GMVA están en su mayoría alineados de este a oeste, por lo que la adición de ALMA en el hemisferio sur resultó esencial para captar esta imagen del chorro y la sombra del agujero negro de M87". Gracias a la ubicación y sensibilidad de ALMA, pudimos revelar la sombra del agujero negro y, al mismo tiempo, ver con más profundidad la emisión del chorro", explica Lu.

Imagen: Carta celeste de la constelación de Virgo con la ubicación de la galaxia M87 o NGC 4486. Crédito: ESO. (Haga click en la imagen para agrandar).

Ubicación:
Ascención Recta, a = 12h 30m 49s
Declinación, d = +12° 23' 28"

Magnitud aparente (V): 8.6

Imagen: Infografía de un agujero negro. Crédito: ESO. (Haga click en la imagen para agrandar).

Notas:
[1] John Archibald Wheeler también se le atribuye el haber acuñado el término "agujero negro" en un discurso dirigido a la NASA en 1967.
[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Messier_87.

Información adicional:
Este trabajo de investigación se ha presentado en el artículo científico titulado “A ring-like accretion structure in M87 connecting its black hole and jet”, que aparece in la revista Nature (A ring-like accretion structure in M87 connecting its black hole and jet).