En abril de 2019, los científicos publicaron la primera imagen de un agujero negro en la galaxia M87 utilizando el Telescopio Horizonte de Sucesos (EHT). Sin embargo, ese notable logro fue solo el comienzo de la historia científica que se contará.

Se están publicando datos de 19 observatorios que prometen brindar una visión incomparable de este agujero negro y el sistema que alimenta, y mejorar las pruebas de la Teoría de la Relatividad General de Einstein.

"Sabíamos que la primera imagen directa de un agujero negro sería revolucionaria", dijo Kazuhiro Hada del Observatorio Astronómico Nacional de Japón, coautor de un nuevo estudio que se publica en The Astrophysical Journal Letters para describir el gran conjunto de datos. "Pero para aprovechar al máximo esta notable imagen, necesitamos saber todo lo que podamos sobre el comportamiento del agujero negro en ese momento mediante la observación de todo el espectro electromagnético".

La inmensa atracción gravitacional de un agujero negro supermasivo puede impulsar chorros de partículas que viajan casi a la velocidad de la luz a través de grandes distancias. Los chorros de M87 producen luz que abarca todo el espectro electromagnético, desde ondas de radio hasta luz visible y rayos gamma. La intensidad de la luz en este espectro da un patrón diferente para cada agujero negro. La identificación de este patrón brinda información crucial sobre las propiedades de un agujero negro (por ejemplo, su giro y producción de energía), pero esto es un desafío porque el patrón cambia con el tiempo.

Los científicos compensaron esta variabilidad coordinando observaciones con muchos de los telescopios más poderosos del mundo en tierra y en el espacio, recolectando luz de todo el espectro. Esta es la campaña de observación simultánea más grande jamás realizada en un agujero negro supermasivo con chorros.

Los telescopios de la NASA involucrados en esta campaña de observación incluyeron el Observatorio de Rayos X Chandra, el Telescopio Espacial Hubble, el Observatorio Swift Neil Gehrels, el Telescopio NuSTAR y el Telescopio Espacial Fermi de Rayos Gamma.

Comenzando con la imagen ahora icónica del EHT de M87, un nuevo video lleva a los espectadores a un viaje a través de los datos de cada telescopio. El video muestra datos, tanto de longitudes de onda de luz como de tamaño físico. La secuencia comienza con la imagen EHT del agujero negro en M87 publicada en Abril de 2019 (los datos se obtuvieron en Abril de 2017). Luego se mueve a través de imágenes de otros conjuntos de radiotelescopios de todo el mundo, moviéndose hacia afuera en el campo de visión durante cada paso. (La escala para el ancho de los cuadrados se da en años luz en la esquina inferior derecha). A continuación, la vista cambia a telescopios que detectan luz visible (Hubble y Swift), luz ultravioleta (Swift) y rayos X (Chandra y NuSTAR). La pantalla se divide para mostrar cómo estas imágenes, que cubren la misma cantidad de cielo al mismo tiempo, se comparan entre sí. La secuencia termina mostrando lo que los telescopios de rayos gamma en tierra y Fermi en el espacio detectan desde este agujero negro y su chorro.

Cada telescopio ofrece información diferente sobre el comportamiento y el impacto del agujero negro de 6.500 millones de masas solares en el centro de M87, que se encuentra a unos 55 millones de años luz de la Tierra.

“Hay varios grupos acelerando para ver si sus modelos concuerdan con estas ricas observaciones, y estamos emocionados de ver que toda la comunidad usa este conjunto de datos públicos para ayudarnos a comprender mejor los vínculos profundos entre los agujeros negros y sus chorros,” dijo el coautor Daryl Haggard de la Universidad McGill en Montreal, Canadá.

Los datos fueron recopilados por un equipo de 760 científicos e ingenieros de casi 200 instituciones, 32 países o regiones, utilizando observatorios financiados por agencias e instituciones de todo el mundo. Las observaciones se concentraron desde finales de Marzo hasta mediados de Abril de 2017.

"Este increíble conjunto de observaciones incluye muchos de los mejores telescopios del mundo", dijo el coautor Juan Carlos Algaba de la Universidad de Malaya en Kuala Lumpur, Malasia. "Este es un maravilloso ejemplo de astrónomos de todo el mundo trabajando juntos en la búsqueda de la ciencia".

Los primeros resultados muestran que la intensidad de la radiación electromagnética producida por el material alrededor del agujero negro supermasivo de M87 fue la más baja jamás vista. Esto produjo las condiciones ideales para estudiar el agujero negro, desde regiones cercanas al horizonte de eventos hasta decenas de miles de años luz.

La combinación de datos de estos telescopios y las observaciones actuales (y futuras) de EHT permitirán a los científicos llevar a cabo importantes líneas de investigación en algunos de los campos de estudio más importantes y desafiantes de la astrofísica. Por ejemplo, los científicos planean utilizar estos datos para mejorar las pruebas de la teoría de la relatividad general de Einstein. Actualmente, los principales obstáculos para estas pruebas son las incertidumbres sobre el material que gira alrededor del agujero negro y se expulsa en chorros, en particular las propiedades que determinan la luz emitida.

Una cuestión relacionada que se aborda en el estudio de hoy se refiere al origen de las partículas energéticas llamadas "rayos cósmicos", que bombardean continuamente la Tierra desde el espacio exterior. Sus energías pueden ser un millón de veces más altas que las que se pueden producir en el acelerador más poderoso de la Tierra, el Gran Colisionador de Hadrones. Se cree que los enormes chorros lanzados desde agujeros negros, como los que se muestran en las imágenes de hoy, son la fuente más probable de rayos cósmicos de mayor energía, pero hay muchas preguntas sobre los detalles, incluidas las ubicaciones precisas donde las partículas se aceleran. Debido a que los rayos cósmicos producen luz a través de sus colisiones, los rayos gamma de mayor energía pueden señalar esta ubicación, y el nuevo estudio indica que es probable que estos rayos gamma no se produzcan cerca del horizonte de eventos, al menos no en 2017. Una clave para resolver este debate será la comparación con las observaciones de 2018 y los nuevos datos que se recopilarán esta semana.

"Comprender la aceleración de partículas es realmente fundamental para comprender tanto la imagen EHT como los chorros, en todos sus 'colores'", dijo la coautora Sera Markoff, de la Universidad de Ámsterdam. “Estos chorros logran transportar la energía liberada por el agujero negro a escalas más grandes que la galaxia anfitriona, como un enorme cable de alimentación. Nuestros resultados nos ayudarán a calcular la cantidad de energía transportada y el efecto que tienen los chorros del agujero negro en su entorno".

La publicación de este nuevo tesoro de datos coincide con la carrera de observación de 2021 del EHT, que aprovecha una variedad mundial de antenas de radio, la primera desde 2018. La campaña del año pasado se canceló debido a la pandemia del COVID-19, y el año anterior se suspendió debido a problemas técnicos imprevistos. Esta misma semana, los astrónomos de EHT están apuntando nuevamente al agujero negro supermasivo en M87, el de nuestra galaxia (llamado Sagitario A*), junto con varios agujeros negros más distantes durante seis noches. En comparación con 2017, la matriz se ha mejorado al agregar tres radiotelescopios más: el Telescopio Greenland, el Telescopio Kitt Peak de 12 metros en Arizona y el NOrthern Extended Millimeter Array (NOEMA) en Francia.