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Telescopio del horizonte de sucesos

El Event Horizon Telescope ( EHT ) es un conjunto de telescopios que consiste en una red global de radiotelescopios . El proyecto EHT combina datos de varias estaciones de interferometría de línea de base muy larga (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 diámetro angular más grande observados 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 de los fotones [3] y las primeras simulaciones de cómo se vería un agujero negro [4] progresaron hasta las predicciones de imágenes VLBI para el agujero negro del centro galáctico, Sgr A*. [5] [6] Los avances técnicos en la observación de radio avanzaron desde la primera detección de Sgr A*, [7] a VLBI en longitudes de onda progresivamente más cortas, lo que finalmente llevó 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 polarizada del agujero negro que puede ayudar a revelar mejor las fuerzas que dan origen a los cuásares . [13] Los planes futuros implican mejorar la resolución del conjunto añadiendo nuevos telescopios y tomando observaciones de longitudes de onda más cortas. [2] [14] El 12 de mayo de 2022, los astrónomos dieron a conocer la primera imagen del agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea , Sagitario A* . [15] Recientemente el Proyecto EHT ha informado haber alcanzado la resolución de 870 μm a 345 GHz, es decir, 19 μas, la mejor resolución angular en instalaciones astronómicas en la Tierra. [16]

Conjunto de telescopios

Diagrama esquemático del mecanismo VLBI del EHT. Cada antena, distribuida a lo largo de grandes distancias, tiene un reloj atómico extremadamente preciso . Las señales analógicas recogidas por la antena se convierten en señales digitales y se almacenan en discos duros junto con las señales horarias proporcionadas por el reloj atómico. A continuación, los discos duros se envían a una ubicación central para su sincronización. Se obtiene una imagen de observación astronómica procesando los datos recopilados desde múltiples ubicaciones.
Observaciones del EHT durante su campaña multilongitud de onda M87 de 2017 descompuestas 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 suaves de Sagitario A* (centro) y dos ecos de luz de una explosión reciente (en un círculo)

El EHT está compuesto por muchos radioobservatorios o instalaciones de radiotelescopios en todo el mundo, que trabajan juntos para producir un telescopio de alta sensibilidad y alta resolución angular. A través de la técnica de interferometría de línea de base muy larga (VLBI), muchas antenas de radio independientes separadas por cientos o miles de kilómetros pueden actuar como un conjunto en fase , un telescopio virtual que puede apuntarse electrónicamente, con una apertura efectiva que es el diámetro de todo el planeta, mejorando sustancialmente su resolución angular. [17] El esfuerzo incluye el desarrollo y despliegue de receptores de polarización dual submilimétricos , estándares de frecuencia altamente estables para permitir la interferometría de línea de base muy larga a 230-450 GHz, backends y grabadores VLBI de mayor ancho de banda, así como la puesta en servicio de nuevos sitios VLBI submilimétricos. [18]

Cada año, desde su primera captura de datos en 2006, el conjunto EHT ha ido incorporando 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 los datos tomados en abril de 2017, [19] [20] pero, como no hay vuelos que entren o salgan del Polo Sur durante el invierno austral (de abril a octubre), el conjunto completo de datos no se pudo procesar hasta diciembre de 2017, cuando llegó el envío de datos del Telescopio del Polo Sur . [21]

Los datos recopilados en discos duros se transportan en aviones de carga comerciales [22] (un llamado sneakernet ) desde los diversos telescopios al Observatorio Haystack del MIT y al Instituto Max Planck de Radioastronomía , donde los datos se correlacionan de forma cruzada y se analizan en una computadora de red compuesta por aproximadamente 800 CPU, todas conectadas 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]

Imágenes publicadas

Messier 87*

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 antihorario para finalizar en la esquina superior derecha
Imagen de M87* generada a partir de datos recopilados por el Event Horizon Telescope [25] [26]
Vista del agujero negro M87* en luz polarizada

La Colaboración del Telescopio del Horizonte de Sucesos 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 el sentido de las agujas del reloj en la región 6σ. [31]

La imagen proporcionó una prueba para la teoría general de la relatividad de Albert Einstein en condiciones extremas. [17] [20] Estudios anteriores 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 giratorio como lo predice la relatividad general". [33] Paul TP Ho, miembro de la Junta de EHT, dijo: "Una vez que estuvimos seguros de que habíamos fotografiado la sombra, pudimos comparar nuestras observaciones con modelos informáticos extensos que incluyen la física del espacio deformado, 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 de la masa y el diámetro de M87*. EHT midió la masa del agujero negro y determinó que6,5 ± 0,7 mil millones de masas solares y midió el diámetro de su horizonte de sucesos en aproximadamente 40 mil millones de kilómetros (270 UA; 0,0013 pc; 0,0042 ly), aproximadamente 2,5 veces más pequeño que la sombra que proyecta, vista en el centro de la imagen. [30] [32] Observaciones anteriores 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 haz relativista de la emisión del chorro de la pared del embudo que se acerca, EHT concluyó que el agujero negro, que ancla el chorro, gira en el sentido de las agujas del reloj, como se ve desde la Tierra. [2] [14] Las simulaciones EHT permiten la rotación del disco interno tanto prograda como retrógrada con respecto al agujero negro, mientras que excluyen el giro cero del agujero negro utilizando una potencia de chorro mínima conservadora de 10 42 erg/s a través del proceso Blandford–Znajek . [2] [35]

La producción de una imagen a partir de datos de una serie de radiotelescopios requiere mucho trabajo matemático. Cuatro equipos independientes crearon imágenes para evaluar la fiabilidad de los resultados. [36] Estos métodos incluían 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 autocalibrados [38] para astronomía, como el algoritmo CHIRP creado por Katherine Bouman y otros. [36] [39] Los algoritmos que se utilizaron finalmente 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 ver más anillos en la primera imagen del agujero negro. [41] [42] En marzo de 2021, se reveló una nueva fotografía 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 de la fotografía 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 dirigido 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 "resuelve una firma fundamental de la gravedad alrededor de un agujero negro", ya que muestra un anillo de fotones alrededor de M87* [44] [45] . La afirmación ha sido posteriormente cuestionada. [46]

En 2023, EHT publicó imágenes nuevas y 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 EHT del blazar arquetípico 3C 279 que muestra un chorro relativista hasta 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 microsegundos de arco 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 aparente movimiento superlumínico de emisores relativistas, como un chorro que se aproxima, se explica por la emisión que se origina más cerca del observador (corriente abajo a lo largo del chorro) que alcanza a la emisión que se origina más lejos del observador (en la base del chorro) a medida que el chorro se propaga cerca de la velocidad de la luz en pequeños ángulos con respecto a la línea de visión.

Centauro A

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

En julio de 2021, se publicaron imágenes de alta resolución del chorro producido por el agujero negro supermasivo ubicado 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 pueda observar su esfera de fotones , como en las imágenes EHT de Messier M87*, pero su chorro se extiende incluso más allá de su galaxia anfitriona mientras permanece como un haz altamente colimado que es un punto de estudio. También se observó un brillo en los bordes del chorro 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*

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 está a 27.000 años luz de la Tierra; es miles de veces más pequeño que M87*. Sera Markoff , copresidenta del Consejo Científico del EHT, dijo: "Tenemos dos tipos de galaxias completamente diferentes y dos masas de agujeros negros muy diferentes, pero cerca del borde de estos agujeros negros se ven sorprendentemente similares. Esto nos dice que la Relatividad General gobierna 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 multifrecuencial 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, las imágenes de emisión polarizada de un cuásar con la resolución angular más alta jamás obtenida. Las observaciones revelan un chorro doblado helicoidalmente y la polarización de su emisión sugiere una estructura de campo magnético toroidal. El objeto se utiliza como calibrador para Sagitario A*, que comparte con él una fuerte variabilidad óptica y polarización. [55] [56]

NRAO 530

NRAO 530 de 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 negros punteados indican el 25 %, 50 % y 75 % de la intensidad máxima polarizada.
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 blazares brillantes de rayos gamma y muestra una variabilidad significativa en todo el espectro electromagnético. La fuente fue monitoreada por el Radio Observatorio 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, Hawaii) 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 0,803 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]

Se observó con el Event Horizon Telescope entre el 5 y el 7 de abril de 2017, cuando se utilizó NRAO 530 como calibrador para las observaciones de Sagitario A* con el EHT. Las observaciones se realizaron con el conjunto completo de ocho telescopios del EHT 2017 ubicados en seis sitios geográficos. En z = 0,902, este es el objeto más distante fotografiado por el EHT hasta ahora. El equipo reconstruyó las primeras imágenes de la fuente a 230 GHz, con una resolución angular de ~20 μas, tanto en intensidad total como en polarización lineal (LP). 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 estaba asociada con el núcleo. La característica está polarizada linealmente, con una polarización fraccional de ~5%–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 sobre 60 μas a lo largo de un ángulo de posición de ~ -28°. Incluye dos características con direcciones ortogonales de polarización (ángulo de posición del vector eléctrico), paralelas y perpendiculares al eje del chorro, en consonancia con una estructura helicoidal del campo magnético en el chorro. La característica más externa tiene un grado particularmente alto de polarización lineal, 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 conforman el conjunto EHT. Mapa global que muestra los radioobservatorios que forman parte de la red Event Horizon Telescope (EHT) que se utiliza para obtener imágenes del agujero negro central de la Vía Láctea, Sagitario A*. Los telescopios resaltados en amarillo fueron 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, el James Clark Maxwell Telescope (JCMT), el Large Millimeter Telescope (LMT), el Submillimeter Array (SMA), el Submillimetere Telescope (SMT) y el South Pole Telescope (SPT). Resaltados en azul están los tres telescopios agregados a la Colaboración EHT después de 2018: el Telescopio de Groenlandia, el NOrthern Extended Millimeter Array (NOEMA) en Francia y el Telescopio UArizona ARO de 12 metros 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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