Una imagen del agujero negro de la Vía Láctea

La observación con el Event Horizon Telescope mejora nuestra comprensión de los procesos en el centro galáctico

13. Mayo 2022

Se encuentra en lo profundo del corazón de la Vía Láctea, está a 27.000 años luz de la Tierra y se asemeja a una rosquilla. Así es como aparece el agujero negro en el centro de nuestra galaxia en la imagen obtenida por investigadores utilizando el Event Horizon Telescope (EHT). Los datos de radio de los observatorios conectados en la red mundial de EHT se obtuvieron de dos supercomputadoras: una en el Instituto Max Planck de Radioastronomía en Bonn y otra en el Observatorio Haystack en Massachusetts. El telescopio Apex del Instituto de Bonn y la antena de 30 metros del Institut de Radioastronomie Millimétrique (IRAM), que pertenece a la Sociedad Max Planck, también participaron en la observación.

La imagen recientemente publicada es la tan esperada vista directa del objeto en el centro de nuestra galaxia conocido como Sagitario A *. Durante muchos años, los investigadores han estado examinando esta área de la Vía Láctea y observando estrellas que orbitan un objeto invisible, compacto y masivo. Por este trabajo, Andrea Ghez de la Universidad de California y Reinhard Genzel del Instituto Max Planck de Física Extraterrestre en Garching fueron galardonados con el Premio Nobel en 2020.


Anillo de fuego cósmico: Esta es la primera imagen de Sagitario A*, el agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea. Fue tomada por el Event Horizon Telescope (EHT), una red que combina observatorios de radio de todo el mundo en un solo telescopio virtual del tamaño de la Tierra. La imagen captura la luz doblada por la fuerte gravedad del agujero negro y es cuatro millones de veces más masiva que el sol. La imagen es un promedio de las diversas imágenes extraídas por la colaboración EHT de sus observaciones en abril de 2017. Las imágenes también se pueden agrupar en cuatro grupos basados en características similares. En la fila inferior se muestra una imagen media y representativa para cada uno de los cuatro clústeres. Tres de los cúmulos muestran una estructura de anillo pero, con un brillo distribuido de manera diferente alrededor del anillo. El cuarto clúster contiene imágenes que también se ajustan a los datos pero que no parecen anilladas. Los gráficos de barras muestran el número relativo de imágenes pertenecientes a cada clúster. Miles de imágenes cayeron en cada uno de los tres primeros grupos, mientras que el cuarto y más pequeño grupo contiene solo cientos de imágenes. Las alturas de las barras indican las contribuciones relativas de cada clúster a la imagen promediada en la parte superior.

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Anillo de fuego cósmico: Esta es la primera imagen de Sagitario A*, el agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea. Fue tomada por el Event Horizon Telescope (EHT), una red que combina observatorios de radio de todo el mundo en un solo telescopio virtual del tamaño de la Tierra. La imagen captura la luz doblada por la fuerte gravedad del agujero negro y es cuatro millones de veces más masiva que el sol. La imagen es un promedio de las diversas imágenes extraídas por la colaboración EHT de sus observaciones en abril de 2017. Las imágenes también se pueden agrupar en cuatro grupos basados en características similares. En la fila inferior se muestra una imagen media y representativa para cada uno de los cuatro clústeres. Tres de los cúmulos muestran una estructura de anillo pero, con un brillo distribuido de manera diferente alrededor del anillo. El cuarto clúster contiene imágenes que también se ajustan a los datos pero que no parecen anilladas. Los gráficos de barras muestran el número relativo de imágenes pertenecientes a cada clúster. Miles de imágenes cayeron en cada uno de los tres primeros grupos, mientras que el cuarto y más pequeño grupo contiene solo cientos de imágenes. Las alturas de las barras indican las contribuciones relativas de cada clúster a la imagen promediada en la parte superior.

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"Nuestro descubrimiento muestra que el objeto en el centro galáctico es de hecho un agujero negro", dice Anton Zensus, Director del Instituto Max Planck de Radioastronomía y presidente fundador del Consejo de Supervisión del EHT. La imagen es la primera prueba visual directa de esto. El agujero negro en sí no es visible en la imagen porque no emite ninguna radiación. Pero el gas brillante a su alrededor muestra una firma reveladora: una región central oscura (sombra) rodeada por una estructura brillante en forma de anillo. Su luz está doblada por la inmensa gravedad del agujero negro.

"Nos sorprendió lo bien que el tamaño del anillo observado coincidía con las predicciones de la teoría general de la relatividad de Einstein", dice el científico del proyecto EHT Geoffrey Bower del Instituto de Astronomía y Astrofísica de la Academia Sinica en Taipei. Las observaciones habrían mejorado en gran medida la comprensión de los procesos físicos que tienen lugar en los centros de las galaxias y proporcionarían información sobre cómo tales trampas de gravedad gigantes interactúan con su entorno.

Debido a que el agujero negro en el centro de la Vía Láctea está a 27.000 años luz de distancia de la Tierra, nos parece en el cielo tan grande como una rosquilla en la luna. Para obtener una imagen, el equipo creó el poderoso EHT, que une ocho (ahora 11) observatorios de radio de todo el mundo en un solo telescopio virtual del tamaño de la Tierra. Usando interferometría, los astrónomos observaron el objeto Sagitario A * durante varias noches en abril de 2017. A una longitud de onda de 1,3 milímetros, recopilaron datos durante muchas horas a la vez, similar al largo tiempo de exposición de una cámara. Estos datos fueron analizados por dos correlacionadores: computadoras de alto rendimiento ubicadas en el Instituto Max Planck de Radioastronomía y el Observatorio Haystack.

El Instituto Max Planck también participó en la campaña con una antena. "La contribución de nuestro telescopio Apex fue esencial para calibrar perfectamente el brillo cambiante de la fuente y proporcionar una prueba definitiva de la sombra del agujero negro en el centro galáctico", dice el director Karl Menten.



Red mundial: Cuando los investigadores recopilaron los datos del centro de la Vía Láctea en 2017, el Telescopio del Horizonte de Eventos consistía en ocho observatorios repartidos por todo el mundo.
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Red mundial: Cuando los investigadores recopilaron los datos del centro de la Vía Láctea en 2017, el Telescopio del Horizonte de Eventos consistía en ocho observatorios repartidos por todo el mundo.

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La observación actual sigue la imagen de 2019 de un agujero negro (M 87 *) en el centro de la galaxia Messier 87, que se encuentra a una distancia mucho mayor de la Tierra. Los dos agujeros negros son similares, aunque el que está en el centro de la Vía Láctea es más de mil veces más pequeño y mucho más ligero que M 87*. "Estamos tratando con dos tipos completamente diferentes de galaxias y dos masas diferentes de agujeros negros. Pero cerca de sus bordes, se ven increíblemente similares", dice Sera Markoff, copresidenta del Consejo de Ciencias de la EHT y profesora de astrofísica teórica en la Universidad de Ámsterdam.

Esta vez, la evaluación de los datos fue mucho más difícil que con la galaxia M 87, a 55 millones de años luz de distancia, a pesar de que el centro de la Vía Láctea está mucho más cerca (27.000 años luz). El gas se arremolina alrededor de los dos agujeros negros prácticamente a la misma velocidad, casi tan rápido como la luz. Pero mientras que toma días o semanas orbitar el objeto más grande M 87 *, orbita del mucho más pequeño Sagitario A * en solo unos minutos. "El brillo y la apariencia del gas alrededor de Sagitario A * cambiaron rápidamente durante nuestra observación", dice Chi-kwan Chan de la Universidad de Arizona. "Es como tratar de tomar una imagen nítida de un perro moviendo vigorosamente la cola".

Los investigadores tuvieron que desarrollar nuevos métodos sofisticados para explicar los movimientos del gas alrededor del agujero negro Sagitario A *, que "pesa" alrededor de cuatro millones de masas solares. En contraste, M 87 *, que pesaba seis mil quinientos millones de masas solares, era un objetivo más fácil y estable. Además, la Tierra está en el plano galáctico; esto causa un efecto de dispersión en las mediciones de radio. El gas caliente con partículas cargadas y campos magnéticos en la línea de visión también complica el análisis.

La imagen de Sagitario A* es, por lo tanto, un promedio de varias imágenes que el equipo extrajo de los datos. Maciek Wielgus y Michael Janßen, ambos del Instituto Max Planck de Radioastronomía, desempeñaron un papel importante en la calibración. Para las pruebas de relatividad general y la prueba de un horizonte de eventos, su colega Gunther Witzel compiló los resultados de otras observaciones.

La colaboración EHT incluye a más de 300 investigadores de 80 institutos de todo el mundo. En los últimos cinco años, el equipo ha desarrollado instrumentos complejos y compilado una biblioteca única de agujeros negros simulados numéricamente para compararlos con las observaciones. Entre otras cosas, estos sirven para probar las teorías de la gravitación.

Según Michael Kramer, director del Instituto Max Planck y uno de los líderes del proyecto Black Hole Cam, la imagen anterior de M 87 * era solo parcialmente adecuada para este propósito. "Para Messier 87, no teníamos un conocimiento previo confiable sobre la masa del agujero negro. En el caso actual, es bastante diferente. Gracias a mediciones anteriores como las de Reinhard Genzel, conocemos tanto la distancia como la masa de Sagitario A* con bastante precisión. Por lo tanto, pudimos calcular el tamaño de sombra esperado para compararlo con las observaciones. Y encaja bastante bien". El proyecto Black Hole Cam fue financiado por el Consejo Europeo de Investigación (ERC) y desempeña un papel importante dentro de la colaboración EHT.

Usando las imágenes de los dos agujeros negros de diferente tamaño, los investigadores pueden comparar los dos objetos y verificar en qué se diferencian. Los nuevos datos también se pueden utilizar para probar teorías y modelos sobre cómo se comportan la gravedad y la materia en el entorno extremo de los agujeros negros supermasivos. Esto aún no se entiende completamente, pero aparentemente juega un papel clave en la formación y evolución de las galaxias.

El director de IRAM, Karl Schuster, enfatiza los muchos años de trabajo pionero conjunto entre el Instituto Max Planck de Radioastronomía y su instituto en Grenoble, Francia. "Los resultados del Event Horizon Telescope son un complemento ideal a los resultados obtenidos por el grupo de Reinhard Genzel en el Instituto Max Planck de Física Extraterrestre en el rango infrarrojo con el instrumento Gravity". Mientras tanto, las mediciones con el Event Horizon Telescope continúan. Once observatorios participaron en una importante campaña en marzo de 2022. "Por supuesto, todos estamos muy emocionados de ver lo que las observaciones de EHT en 2021 y 2022 revelarán con la participación de nuestro poderoso observatorio Noema", dice Schuster.