La esperada imagen del nexo entre el agujero negro M87* y su chorro relativista

Por Francisco R. Villatoro, el 27 abril, 2023. Categoría(s): Astrofísica • Ciencia • Física • Nature • Noticias • Physics • Science ✎ 2

La imagen del agujero negro supermasivo M87* obtenida por el Event Horizon Telescope (EHT) a 1.3 mm (230 GHz) no mostraba el inicio del famoso chorro relativista de M87. Para observar el «eslabón perdido» de la astrofísica observacional de agujeros negros había que usar una longitud de onda más grande (una frecuencia más pequeña). Se publica en Nature dicha imagen gracias a observaciones a 3.5 mm (86 GHz) entre el 14 y 15 de abril de 2018 usando GMVA (Global Millimetre VLBI Array), ALMA (Atacama Large Millimetre/submillimetre Array) y GLT (GreenLand Telescope). El resultado es espectacular, un anillo de 64 μas de diámetro (el de EHT tenía 42 μas), es decir, 8.4 radios de Schwarzschild, conectado a tres arcos asociados al inicio del chorro relativista, una espina central que emerge del anillo y dos arcos de borde encima y debajo. Esta estructura parabólica es coherente con la predicción teórica para el mecanismo de Blandford–Znajek para la formación del chorro relativista. Un nueva gran éxito de la interferometría de muy larga base.

El nuevo artículo es Ru-Sen Lu, …, Ivan Marti-Vidal, …, Chen-Yu Yu, «A ring-like accretion structure in M87 connecting its black hole and jet,» Nature 616: 686-690 (26 Apr 2023), doi: https://doi.org/10.1038/s41586-023-05843-w, arXiv:2304.13252 [astro-ph.HE] (26 Apr 2023); más información divulgativa en Davide Castelvecchi, «Black-hole image reveals details of turmoil around the abyss,» News, Nature (26 Apr 2023), doi: https://doi.org/10.1038/d41586-023-01442-x. Por cierto, la nueva imagen de M87*  con un anillo delgado obtenida mediante un algoritmo de inteligencia artificial se publicó en Lia Medeiros, Dimitrios Psaltis, …, Feryal Özel, «The Image of the M87 Black Hole Reconstructed with PRIMO,» The Astrophysical Journal Letters 947: L7 (13 Apr 2023), doi: https://doi.org/10.3847/2041-8213/acc32d, arXiv:2304.06079 [astro-ph.HE] (12 Apr 2023). Por cierto, lo de «eslabón perdido» lo he tomado prestado del excelente hilo en Twitter de Iván Martí Vidal [hilo].

Como curiosidad, recomiendo consultar cómo decían Miyoshi y sus colegas que se observaba el chorro relativista en la imagen de EHT (que era un artefacto de su algoritmo incorrecto de procesado de las imágenes) en «Podcast CB SyR 371: cefeidas y constante de Hubble, EHT y el chorro en M87*, redes neuronales y glaucoma, y moléculas de Rydberg», LCMF, 10 jun 2022.

[PS 05 may 2023] Recomiendo escuchar la imperdible primera hora de la cara B del episodio 414 del podcast Coffee Break: Señal y Ruido [Acast BiVoox BiTunes B], en el que Iván Martí Vidal explica de forma fascinante su artículo. Siempre se aprende mucho escuchando las explicaciones de Iván. [/PS]

Esta figura muestra la imagen anular de M87* publicada en 2019, con datos de EHT de 2017, a la izquierda. También se muestra la nueva imagen procesada mediante el algoritmo PRIMO (PRincipal-component Interferometric MOdeling) en el centro; usa una técnica de simulación de Montecarlo basada en cadenas de Markov (MCMC, por Markov Chain Monte Carlo) para comparar las observaciones interferométricas con las transformadas de Fourier de las componentes principales de la señal. El algoritmo se puede entrenar con simulaciones por ordenador y así permite reconstruir ciertas componentes principales de los datos que no están claras en las observaciones; gracias a ello la imagen del anillo tiene mucho más resolución que en la imagen de EHT. Y la nueva imagen de GMVA se muestra a la derecha. En esta figura falta la imagen de los campos magnéticos en el anillo. En pocos años estamos aprendiendo muchas cosas sobre M87* y su entorno gracias a la interferometría de muy larga base (VLBI).

La imagen de EHT a 1.3 mm no permitió observar el origen del chorro relativista porque la emisión del chorro a este longitud de onda era muy débil comparada con la fotonesfera (esfera de fotones que lensada gravitacionalmente da lugar a la sombra del agujero negro observada). Gracias al uso de un mayor longitud de onda, 3.5 mm, se puede observar la emisión del disco de acreción de materia de M87* (sin que se vea la parte oscura central del anillo de la sombra de M87*). Se observa un anillo (casi parece un disco) con un diámetro de 64+4−86 μas (un 50 % más grande que la imagen de EHT, que tenía 42 ± 3 μas). Asumiendo una distancia de D = 16.8 Mpc y una masa de M = 6.5 × 109 M (masas solares), el diámetro angular observado corresponde a un diámetro de 8.4+0.5−1.1 radios de Schwarzschild radii (Rs = 2GM/c²).

Se estima que la temperatura de brillo del anillo es de 1010 K (típica de los AGN, o núcleos galácticos activos); por ello se cree que la imagen observada a 3.5 mm tiene su origen en la emisión sincrotrón en el disco de acreción de materia (la imagen a 1.3 mm que observó EHT tenía su origen en la fotonesfera, con poca contaminación del disco de acreción).

La novedad de la imagen de GMVA es que se observa una región angular que cubre unos 100 radios de Schwarzschild, mucho más grande que los ~10 del anillo central. Gracias a ello se puede observar el origen del chorro relativista. Se esperaba un chorro con forma parabólica que emanara del anillo; sin embargo, se observa una estructura parabólica de tipo tridente (triple-ridge structure), con una espina central y dos espinas de borde (superior e inferior) que enmarcan la forma parabólica esperada; la espina central tiene una intensidad del orden del 60 % de la de cada borde. La forma parabólica es coherente con las anteriores observaciones del chorro a 7 mm y 3.5 mm. La imagen obtenida sugiere que el chorro relativista de M87 tiene su origen en el agujero negro M87*.

La estructura tipo tridente del chorro indica que el agujero negro tiene una rotación superior a la mitad de su máximo permitido (el espín o momento angular normalizado es a 0.5). Este resultado es compatible con el mecanismo de Blandford–Znajek (BZ) para la formación del chorro. El mecanismo BZ explica el chorro gracias al intenso campo magnético generado en el disco de acreción de un agujero negro en rotación. Las líneas de campo magnético logran alcanzar la ergosfera, donde el espacio está en rotación arrastrado por el agujero negro, con lo que se retuercen y se ponen a rotar, generando un corriente eléctrica en el plasma del disco de acreción. Esta corriente provoca que parte de la materia del disco se vea conducida en dirección hacia el centro del disco, pero por su parte superior (e inferior) siendo expulsada de forma transversal al disco; así aparece el chorro relativista.

Se piensa que los chorros de muchos AGN tienen su origen en el mecanismo BZ; la nueva imagen parece indicar que así es, al menos en el caso de M87*. Aún así, la estructura de tipo tridente observada apunta a que hay detalles del mecanismo BZ que aún no entendemos bien. Los astrofísicos tendrán que proponer explicaciones para dichos detalles (Iván Martí en Twitter menciona la posibilidad de que haya «vientos» de plasma que afectan al origen del chorro).

Esta figura compara las imágenes obtenidas (arriba) con las predichas por la teoría (abajo), asumiendo una contribución de la radiación sincrotrón térmica (asociada al disco de acreción) y no térmica (asociada al chorro relativista). Se observa un buen acuerdo entre las observaciones y la teorías. Un punto a destacar es que la imagen del anillo de GMVA es más grande que la de EHT debido a un fenómeno llamado autoabsorción sincrotrón (synchrotron self-absorption), es decir, el plasma se vuelve opaco a las frecuencias en las que emite la fotonesfera (las observadas por EHT); así que lo que observamos es la radiación que no está autoabsorbida, que es la del disco de acreción.

Para el análisis se han usado los algoritmos de procesado de las visibilidades (V), que muestran un mínimo asociado a la estructura en forma de anillo. Este mínimo está más muestreado que en la imagen de EHT, pero no es tan profundo, por lo que la diferencia en brillo entre la parte central del anillo y el borde es mucho más pequeño. Por cierto, el español Iván Martí Vidal ha contribuido en el desarrollo de estos algoritmos para el procesado de las visibilidades.

En resumen, un gran resultado que nos muestra que la astrofísica observacional de agujeros negros ha dado pasos de gigante gracias a EHT. Sin lugar a dudas, el nuevo resultado vuelve a poner a Sheperd Doeleman en la antesala del Premio Nobel de Física (aunque Doeleman no es coautor del nuevo artículo). Por supuesto, ahora es el turno de los teóricos para entender todos los detalles observados. Más aún, en 2023 se están tomando imágenes de M87* a 0.87 mm que permitirán observar el anillo con mayor resolución (las imágenes se publicarán en un par de años). Los próximos años prometen ser apasionantes, y con gran número de sorpresas, sobre la física de M87* y Sgr A*.



2 Comentarios

  1. En relación a tus disculpas sobre las acusaciones vomitivas sobre el Dr. Carlos López Otín que han realizado muchos macrobios en los ultimos años, sería bueno que dedicases un tiempo a investigar casos similares de acoso en la ciencia española, e internacional, que está llevando al psiquiatra a mucha gente, como consecuencia de este sistema de ciencia intoxicado por el capitalismo, donde lo importante es la cantidad, a cualquier precio para conseguir estabilizarte, o estar en comisiones nacionales, o sentirte mas grande que tus compañeros. Demasiada invidia, demasiado mediocre, demasiado vendehumo, demasiado macrobio, y los que deberían arrinconar y denunciar, no lo hacen. Sistema medieval en el siglo XXI el de la universidad. Ójala tuviesemos muchos Carlos, llenos de humanidad, empatía, inteligencia, y bondad.

    Busca y encoantrarás muchos casos.

    Suerte.

    Un saludo.

    1. Si es tan científico como dices haría bien en responder directamente a los compañeros en el terreno de juego de la ciencia y no utilizar el sistema judicial capitalista.

Deja un comentario