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Telescopio del horizonte de sucesos

El Telescopio del Horizonte de Sucesos ( EHT ) es un conjunto de telescopios que consta de una red global de radiotelescopios . El proyecto EHT combina datos de varias estacione...

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El Telescopio del Horizonte de Sucesos ( EHT ) es un conjunto de telescopios que consta de una red global de radiotelescopios . El proyecto EHT combina datos de varias estaciones de interferometría de muy larga base (VLBI) alrededor de la Tierra, que forman un conjunto combinado con una resolución angular suficiente para observar objetos del tamaño del horizonte de sucesos de un agujero negro supermasivo . Los objetivos de observación del proyecto incluyen los dos agujeros negros con el mayor diámetro angular observado desde la Tierra: el agujero negro en el centro de la galaxia elíptica supergigante Messier 87 y Sagitario A* , en el centro de la Vía Láctea . [ 1 ] [ 2 ]

El proyecto Event Horizon Telescope es una colaboración internacional que se lanzó en 2009 [ 1 ] después de un largo período de desarrollos teóricos y técnicos. En el lado teórico, el trabajo sobre la órbita del fotón [ 3 ] y las primeras simulaciones de cómo se vería un agujero negro [ 4 ] progresaron a predicciones de imágenes VLBI para el agujero negro del centro galáctico, Sgr A*. [ 5 ] [ 6 ] Los avances técnicos en la observación de radio pasaron de la primera detección de Sgr A*, [ 7 ] a VLBI en longitudes de onda progresivamente más cortas, lo que finalmente condujo a la detección de la estructura a escala del horizonte tanto en Sgr A* como en M87. [ 8 ] [ 9 ] La colaboración ahora comprende más de 300 [ 10 ] miembros y 60 instituciones, que trabajan en más de 20 países y regiones. [ 11 ]

La primera imagen de un agujero negro, en el centro de la galaxia Messier 87, fue publicada por la Colaboración EHT el 10 de abril de 2019, en una serie de seis publicaciones científicas. [ 12 ] El conjunto realizó esta observación a una longitud de onda de 1,3  mm y con una resolución teórica limitada por difracción de 25 microsegundos de arco . En marzo de 2021, la Colaboración presentó, por primera vez, una imagen basada en polarización del agujero negro que puede ayudar a revelar mejor las fuerzas que dan origen a los cuásares . [ 13 ] Los planes futuros incluyen mejorar la resolución del conjunto agregando nuevos telescopios y tomando observaciones de longitud de onda más corta. [ 2 ] [ 14 ] El 12 de mayo de 2022, los astrónomos revelaron la primera imagen del agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea , Sagitario A* . [ 15 ] Desde 2018, el EHT ha sido capaz de obtener imágenes a una longitud de onda de 870  μm (345  GHz), lo que proporciona una resolución angular de 19  μas, la mejor resolución de cualquier telescopio terrestre. [ 16 ]

Conjunto de telescopios

Observaciones del EHT durante su campaña multiespectral M87 de 2017, desglosadas por instrumento desde la frecuencia más baja (EHT/ALMA/SMA) hasta la más alta (VERITAS). (Fermi-LAT en modo de sondeo continuo) (fechas también en días julianos modificados ).
Imagen de rayos X blandos de Sagitario A* (centro) y dos ecos de luz de una explosión reciente (rodeados con un círculo).

El EHT está compuesto por numerosos radiotelescopios o observatorios de radio de todo el mundo, que trabajan conjuntamente para producir un telescopio de alta sensibilidad y alta resolución angular. Mediante la técnica de interferometría de muy larga base (VLBI), muchas radioantenas independientes separadas por cientos o miles de kilómetros pueden funcionar como una matriz de fase , un telescopio virtual que puede orientarse electrónicamente, con una apertura efectiva equivalente al diámetro del planeta, lo que mejora sustancialmente su resolución angular. [ 17 ] El esfuerzo incluye el desarrollo y la implementación de receptores de doble polarización submilimétricos , estándares de frecuencia altamente estables para permitir la interferometría de muy larga base a 230–450 GHz, sistemas de procesamiento y grabadores VLBI de mayor ancho de banda, así como la puesta en marcha de nuevos emplazamientos VLBI submilimétricos. [ 18 ] 

Cada año, desde su primera captura de datos en 2006 , el conjunto EHT ha continuado añadiendo más observatorios a su red global de radiotelescopios. Se esperaba que la primera imagen del agujero negro supermasivo de la Vía Láctea, Sagitario A*, se produjera a partir de datos tomados en abril de 2017, [ 19 ] [ 20 ] pero debido a que no hay vuelos hacia o desde el Polo Sur durante el invierno austral (de abril a octubre), el conjunto completo de datos no pudo procesarse hasta diciembre de 2017, cuando llegó el envío de datos del Telescopio del Polo Sur . [ 21 ]

Los datos recogidos en discos duros se transportan mediante aviones de carga comerciales [ 22 ] (una denominada red clandestina ) desde los distintos telescopios hasta el Observatorio Haystack del MIT y el Instituto Max Planck de Radioastronomía , donde los datos se correlacionan y analizan en un ordenador de cuadrícula compuesto por unos 800 procesadores conectados a través de una red de 40 Gbit/s . [ 23 ]

Debido a la pandemia de COVID-19 , los patrones climáticos y la mecánica celeste, la campaña de observación de 2020 se pospuso hasta marzo de 2021. [ 24 ]

Mecanismo VLBI

Diagrama esquemático del mecanismo VLBI de EHT.

Cada antena, distribuida a lo largo de vastas distancias, cuenta con un reloj atómico de extrema precisión . Las señales analógicas captadas por la antena se convierten en digitales y se almacenan en discos duros junto con las señales horarias proporcionadas por el reloj atómico. Posteriormente, los discos duros se envían a una ubicación central para su sincronización. Mediante el procesamiento de los datos recopilados desde múltiples ubicaciones, se obtiene una imagen de observación astronómica.

Imágenes publicadas

Messier 87*

Imagen de M87* generada a partir de datos recopilados por el Telescopio del Horizonte de Sucesos [ 25 ] [ 26 ]
Una vista del agujero negro M87* en luz polarizada.
Una serie de imágenes que describen el nivel de aumento alcanzado por el EHT (similar a ver, desde la superficie de la Tierra, un objeto del tamaño de una pelota de tenis en la Luna); comienza en la imagen superior izquierda y se mueve en sentido contrario a las agujas del reloj hasta terminar en la esquina superior derecha.

La Colaboración del Telescopio del Horizonte de Eventos anunció sus primeros resultados en seis conferencias de prensa simultáneas en todo el mundo el 10 de abril de 2019. [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ] El anuncio presentó la primera imagen directa de un agujero negro, que mostró el agujero negro supermasivo en el centro de Messier 87 , designado M87*. [ 2 ] [ 28 ] [ 29 ] Los resultados científicos se presentaron en una serie de seis artículos publicados en The Astrophysical Journal Letters . [ 30 ] Se observó un agujero negro que giraba en sentido horario en la región de 6σ. [ 31 ]

La imagen proporcionó una prueba para la teoría general de la relatividad de Albert Einstein en condiciones extremas. [ 17 ] [ 20 ] Estudios previos han probado la relatividad general observando los movimientos de estrellas y nubes de gas cerca del borde de un agujero negro. Sin embargo, una imagen de un agujero negro acerca aún más las observaciones al horizonte de sucesos. [ 32 ] La relatividad predice una región oscura similar a una sombra, causada por la curvatura gravitacional y la captura de luz, [ 5 ] [ 6 ] que coincide con la imagen observada. El artículo publicado afirma: "En general, la imagen observada es consistente con las expectativas para la sombra de un agujero negro de Kerr en rotación, tal como predice la relatividad general". [ 33 ] Paul TP Ho, miembro de la Junta del EHT, dijo: "Una vez que estuvimos seguros de haber fotografiado la sombra, pudimos comparar nuestras observaciones con extensos modelos informáticos que incluyen la física del espacio curvado, la materia sobrecalentada y los campos magnéticos fuertes. Muchas de las características de la imagen observada coinciden sorprendentemente bien con nuestra comprensión teórica". [ 30 ]

La imagen también proporcionó nuevas mediciones para la masa y el diámetro de M87*. El EHT midió que la masa del agujero negro es6,5 ± 0,7  mil millones de masas solares y midió el diámetro de su horizonte de eventos en aproximadamente 40 mil millones de kilómetros (270 UA; 0,0013 pc; 0,0042 li) , aproximadamente 2,5 veces más pequeño que la sombra que proyecta, vista en el centro de la imagen. [ 30 ] [ 32 ] Observaciones previas de M87 mostraron que el chorro a gran escala está inclinado en un ángulo de 17° con respecto a la línea de visión del observador y orientado en el plano del cielo en un ángulo de posición de −72°. [ 2 ] [ 34 ] A partir del brillo mejorado de la parte sur del anillo debido al colimador relativista de la emisión del chorro de la pared del embudo que se aproxima, EHT concluyó que el agujero negro, que ancla el chorro, gira en el sentido de las agujas del reloj, visto desde la Tierra. [ 2 ] [ 14 ] Las simulaciones EHT permiten tanto la rotación prograda como la retrógrada del disco interno con respecto al agujero negro, mientras que excluyen el giro cero del agujero negro utilizando una potencia mínima conservadora del chorro de 10 42 erg/s a través del proceso de Blandford-Znajek . [ 2 ] [ 35 ]    

La generación de una imagen a partir de datos de un conjunto de radiotelescopios requiere un gran esfuerzo matemático. Cuatro equipos independientes crearon imágenes para evaluar la fiabilidad de los resultados. [ 36 ] Estos métodos incluyeron tanto un algoritmo establecido en radioastronomía para la reconstrucción de imágenes conocido como CLEAN , inventado por Jan Högbom , [ 37 ] como métodos de procesamiento de imágenes autocalibrables [ 38 ] para astronomía, como el algoritmo CHIRP creado por Katherine Bouman y otros. [ 36 ] [ 39 ] Los algoritmos que finalmente se utilizaron fueron un algoritmo de máxima verosimilitud regularizada (RML) [ 40 ] y el algoritmo CLEAN. [ 36 ]

En marzo de 2020, los astrónomos propusieron una forma mejorada de observar más anillos en la primera imagen del agujero negro. [ 41 ] [ 42 ] En marzo de 2021, se reveló una nueva foto que muestra cómo se ve el agujero negro M87 en luz polarizada. Esta es la primera vez que los astrónomos han podido medir la polarización tan cerca del borde de un agujero negro. Las líneas en la foto marcan la orientación de la polarización, que está relacionada con el campo magnético alrededor de la sombra del agujero negro. [ 43 ]

En agosto de 2022, un equipo liderado por el investigador de la Universidad de Waterloo, Avery Broderick, publicó una versión "remasterizada" de la imagen original generada a partir de los datos recopilados por el EHT. Esta imagen "reveló una señal fundamental de gravedad alrededor de un agujero negro", mostrando un anillo de fotones alrededor de M87* . [ 44 ] [ 45 ] Posteriormente, esta afirmación fue cuestionada. [ 46 ]

En 2023, el EHT publicó nuevas imágenes más nítidas del agujero negro M87, reconstruidas a partir de los mismos datos de 2017 pero creadas utilizando el algoritmo PRIMO. [ 47 ]

3C 279

Imagen del EHT del blazar arquetípico 3C 279 que muestra un chorro relativista hacia el núcleo del AGN que rodea el agujero negro supermasivo.

En abril de 2020, el EHT publicó las primeras imágenes con una resolución de 20 microarcosegundos del blazar arquetípico 3C 279 que observó en abril de 2017. [ 48 ] Estas imágenes, generadas a partir de observaciones durante 4 noches en abril de 2017, revelan componentes brillantes de un chorro cuya proyección en el plano del observador exhibe movimientos superlumínicos aparentes con velocidades de hasta 20 c . [ 49 ] Este movimiento superlumínico aparente de emisores relativistas como un chorro que se aproxima se explica por la emisión originada más cerca del observador (aguas abajo a lo largo del chorro) alcanzando a la emisión originada más lejos del observador (en la base del chorro) a medida que el chorro se propaga cerca de la velocidad de la luz en ángulos pequeños con respecto a la línea de visión. 

Centauro A

Imagen de Centaurus A que muestra el chorro de su agujero negro a diferentes escalas.

En julio de 2021, se publicaron imágenes de alta resolución del chorro producido por un agujero negro supermasivo situado en el centro de Centaurus A. Con una masa de alrededor de5,5 × 10 7 M ☉ , el agujero negro no es lo suficientemente grande como para que se observe su esfera de fotones , como en las imágenes del EHT de Messier M87*, pero su chorro se extiende incluso más allá de su galaxia anfitriona mientras permanece como un haz altamente colimado, lo cual es un punto de estudio. También se observó un brillo en el borde del chorro, lo que excluiría los modelos de aceleración de partículas que no pueden reproducir este efecto. La imagen fue 16 veces más nítida que las observaciones anteriores y utilizó una longitud de onda de 1,3 mm. [ 50 ] [ 51 ] [ 52 ] 

Sagitario A*

Sagitario A* , primera imagen publicada en 2022.
Sagitario A* en luz polarizada, imagen publicada en 2024.

El 12 de mayo de 2022, la Colaboración EHT reveló una imagen de Sagitario A* , el agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea . El agujero negro se encuentra a 27 000 años luz de la Tierra y es miles de veces más pequeño que M87*. Sera Markoff , copresidenta del Consejo Científico de la EHT, declaró: «Tenemos dos tipos de galaxias completamente diferentes y dos masas de agujeros negros muy distintas, pero cerca del borde de estos agujeros negros se ven asombrosamente similares. Esto nos indica que la relatividad general rige estos objetos de cerca, y cualquier diferencia que veamos más lejos debe deberse a diferencias en el material que rodea a los agujeros negros». [ 53 ]

El 22 de marzo de 2024, la Colaboración EHT publicó una imagen de Sagitario A* en luz polarizada. [ 54 ]

J1924-2914

Una vista multifrecuencia del chorro curvado en Blazar J1924-2914. [ 55 ] [ 56 ]

En agosto de 2022, el EHT, junto con el Global Millimeter VLBI Array y el Very Long Baseline Array, obtuvieron imágenes del distante blazar J1924-2914. Operaron a 230  GHz, 86  GHz y 2,3+8,7  GHz, respectivamente, logrando las imágenes de mayor resolución angular de emisión polarizada de un cuásar jamás obtenidas. Las observaciones revelan un chorro curvado helicoidalmente y la polarización de su emisión sugiere una estructura de campo magnético toroidal. El objeto se utiliza como calibrador para Sagitario A*, compartiendo con él una fuerte variabilidad óptica y polarización. [ 55 ] [ 56 ]

NRAO 530

NRAO 530 por EHT. La intensidad total se muestra en escala de grises con contornos negros que indican el 10%, 25%, 50% y 75% de la intensidad máxima de LP. Los contornos punteados negros indican el 25%, 50% y 75% de la intensidad máxima de polarización.
Esquema de los componentes de intensidad total y LP en la imagen fiducial EHT de NRAO 530; los contornos blancos muestran los niveles de intensidad total; la escala de color y los contornos cian representan la intensidad polarizada de la imagen promediada por el método.

En febrero de 2023, el EHT informó sobre las observaciones del cuásar NRAO 530. NRAO 530 (1730−130, J1733−1304) es un cuásar de radio de espectro plano (FSRQ) que pertenece a la clase de blázares brillantes de rayos gamma y muestra una variabilidad significativa en todo el espectro electromagnético. La fuente fue monitoreada por el Observatorio de Radio de la Universidad de Michigan a 4,8, 8,4 y 14,5  GHz durante varias décadas hasta 2012. El cuásar sufrió un dramático estallido de radio en 1997, durante el cual su densidad de flujo a 14,5  GHz superó los 10 Jy, mientras que el valor promedio es de ~2 Jy. Desde 2002, NRAO 530 ha sido monitoreado por el Submillimeter Array (SMA; Maunakea, Hawái) a 1,3  mm y 870  μm. NRAO 530 tiene un corrimiento al rojo de z = 0,902 (Junkkarinen 1984), para el cual 100 μas corresponden a una distancia lineal de 6  mil millones de pc. La fuente contiene un agujero negro supermasivo, cuya masa es actualmente incierta, con estimaciones que van desde3 × 10 8 M ☉  a2 × 10 9 M ☉  . [ 57 ]

Fue observado con el Telescopio del Horizonte de Sucesos del 5 al 7 de abril de 2017, cuando el NRAO 530 se utilizó como calibrador para las observaciones del EHT de Sagitario A*. Las observaciones se realizaron con el conjunto completo de ocho telescopios del EHT 2017, ubicados en seis sitios geográficos. A z = 0,902, este es el objeto más distante fotografiado por el EHT hasta la fecha. El equipo reconstruyó las primeras imágenes de la fuente a 230  GHz, con una resolución angular de aproximadamente 20  μas, tanto en intensidad total como en polarización lineal (PL). No se detectó variabilidad de la fuente, lo que permitió representar todo el conjunto de datos con imágenes estáticas. Las imágenes revelan una característica brillante ubicada en el extremo sur del chorro, que se asoció con el núcleo. La característica está polarizada linealmente, con una polarización fraccional de aproximadamente 5 % a 8 %, y tiene una subestructura que consta de dos componentes. Su temperatura de brillo observada sugiere que la densidad de energía del chorro está dominada por el campo magnético. El chorro se extiende a lo largo de 60 μas con un ángulo de posición de aproximadamente −28°. Incluye dos estructuras con direcciones de polarización ortogonales (ángulo de posición del vector eléctrico), paralelas y perpendiculares al eje del chorro, lo que concuerda con una estructura helicoidal del campo magnético en el chorro. La estructura más externa presenta un grado de polarización lineal (LP) particularmente alto, lo que sugiere un campo magnético casi uniforme. [ 57 ]

Institutos colaboradores

La Colaboración EHT está formada por 13 institutos interesados: [ 58 ]

Ubicación de los telescopios que componen la red EHT. Mapa global que muestra los radiotelescopios que forman la red Event Horizon Telescope (EHT), utilizada para obtener imágenes del agujero negro central de la Vía Láctea, Sagitario A*. Los telescopios resaltados en amarillo formaron parte de la red EHT durante las observaciones de Sagitario A* en 2017. Estos incluyen el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), el Atacama Pathfinder EXperiment (APEX), el telescopio IRAM de 30 metros (30-M), el James Clark Maxwell Telescope (JCMT), el Large Millimeter Telescope (LMT), el Submillimeter Array (SMA), el Submillimeter Telescope (SMT) y el South Pole Telescope (SPT). En azul se destacan los tres telescopios que se añadieron a la Colaboración EHT después de 2018: el Telescopio de Groenlandia (GLT), el Conjunto Milimétrico Extendido del Norte (NOEMA) en Francia y el Telescopio ARO de 12 metros de la Universidad de Arizona en Kitt Peak.

Fondos

La colaboración EHT recibe financiación de numerosas fuentes, entre ellas: [ 59 ]

Además, Western Digital y Xilinx son donantes de la industria. [ 60 ]

Referencias

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  • El telescopio de horizonte de sucesos de próxima generación