Fa aproximadament un any, la col·laboració internacional Telescopi Horitzó de Successos (EHT), en la qual participa la Universitat de València, va publicar la primera imatge d'un forat negre. Ara, l'equip ha observat amb detall un doll de material a alta velocitat emergint d'un altre forat negre supermassiu. Les dades, obtingudes mitjançant interferometria VLBI d'alta precisió, ajuden a analitzar el comportament de la naturalesa en condicions tan extremes. Els resultats apareixen publicats en la revista Astronomy & Astrophysics.
La col·laboració del Telescopi Horitzó de Successos (EHT) -la xarxa de radiotelescopis a escala planetària que va aconseguir l'any passat la primera imatge d'un forat negre- continua extraient informació de les dades recopilades en la seua campanya global d'abril de 2017.
L'objecte d'aquestes observacions és el quàsar 3C279, una galàxia a 5.000 milions d'anys llum de distància -en la constel·lació de Virgo- que els científics classifiquen com un quàsar, perquè en el seu centre brilla intensament un punt que parpelleja quan quantitats massives de gasos i estreles cauen en el gegantesc forat negre supermassiu que conté el seu nucli; un forat negre de massa mil milions de vegades superior a la del Sol i 200 vegades superior a la del forat negre que es troba en el centre de la Via Làctia.
Aquest forat negre absorbeix gasos i estreles a través d'un disc que l'envolta, els tritura i expulsa part d'aqueixa matèria a través de dos fins dolls de plasma –els anomenats jets- que emergeixen com a mànegues de foc, quasi a la velocitat de la llum, dels voltants del seu horitzó de successos, aqueixa frontera que envolta al forat negre i on l'espai i el temps es deformen infinitament i deixen de funcionar. En aquestes regions entren en joc enormes forces que només es poden estudiar mitjançant aquests objectes; és impossible reproduir en la Terra aquestes condicions espai-temporals tan extremes.
Les dades obtingudes ara pels telescopis enllaçats de l’EHT, i publicats en la revista Astronomy & Astrophysics, mostren el fenomen amb un grau nitidesa mai aconseguit per a 3C279, i permeten apreciar particularitats del jet i del disc en acció, que revelen detalls inesperats. D'una banda, el doll, que se suposa recte, adopta una forma retorçada en la seua base, la qual cosa suggereix a la investigació diferents possibilitats per a l'explicació del fenomen; possibilitats relacionades amb la presència d'un altre forat negre company o amb efectes d'arrossegament de l'espaitemps, per posar-ne alguns exemples. D'altra banda, s'observen per primera vegada estructures perpendiculars al jet, que segons els científics podrien correspondre a la zona on naixen aquests dolls, cosa que aportaria informació sobre els misteriosos processos de formació dels jets i obriria nous camins per a continuar aprenent la manera com es comporta la naturalesa en aquests escenaris extrems.
En comparar les imatges en dies successius, s'han detectat a més canvis molt subtils en la morfologia d’aquestes, que l'equip d'investigació pensa que podrien estar relacionats amb el mecanisme pel qual naixen els dolls a partir del disc d'acreció, que va triturant i absorbint el material que després emanarà en forma de jet.
"Hem observat un escenari que fins ara solament havíem vist en simulacions per ordinador", declara Jae-Young Kim, investigador de l'Institut Max Planck de Radioastronomia de Bonn (Alemanya), que encapçala la investigació. "Allà on esperàvem trobar-nos amb la regió on es forma el jet, hem detectat una sorprenent estructura perpendicular al doll, una cosa tan inesperada com anar descomponent una nina matrioska i trobar-se, quasi al final del procés, amb una figureta totalment diferent. Aquesta és una prova més de les sorpreses que ens ofereix l'Univers cada vegada que obrim una nova finestra per a observar-lo".
“Al llarg de les últimes dècades, observacions de VLBI del quàsar 3C279 ens han permés d’establir un model físic capaç d'explicar com aquests forats negres supermassius poden convertir-se en els objectes més energètics de l'Univers, però ha bastat una sola imatge de l’EHT per a replantejar-nos moltes de les nostres hipòtesis prèvies, i en particular com es generen els jets a partir de l’acreixement de matèria entorn del forat negre central”, comenta José Luis Gómez, investigador de l'Institut d'Astrofísica d'Andalusia (CSIC), membre de l'equip de recerca i un dels principals signants de l'article.
A més, el fet que les imatges canvien de manera tan ràpida també ha suposat un alt grau de sorpresa per als científics. “Pel moment tenim diferents escenaris per a explicar aquestes observacions. En qualsevol cas, l'anàlisi de la polarització de la llum en les observacions de l’EHT ens ajudarà a esclarir aquests misteris en un futur pròxim”, assenyala Ivan Martí-Vidal, investigador CIDEGENT de la Generalitat Valenciana en l'Observatori Astronòmic i el Departament d'Astronomia de la Universitat de València.
El paper de la Universitat de València
I ací és on la Universitat de València jugarà, en breu, un dels seus papers fonamentals en el projecte. Iván Martí-Vidal és un dels dos coordinadors de l'equip de polarimetria de l’EHT, a més de ser el desenvolupador principal de dos dels algorismes fonamentals per al calibratge dels telescopis. "Gràcies a l'estudi de la polarització en aquestes observacions, podrem conéixer amb precisió l'estructura dels camps magnètics que hi ha immersos en la rodalia de l'horitzó de successos" declara el científic. "Aquests camps magnètics són la clau per a entendre el mecanisme de formació dels jets. Dins aquest context, la contribució de la Universitat de València està sent decisiva".
Un altre aspecte en el qual la Universitat ha jugat un paper important ha sigut l'aportació de la investigadora Rebecca Azulay a l'observació des del Telescopi IRAM 30m de Pico Veleta, a Sierra Nevada (Granada), dins de la campanya global d'observació de l’EHT. Rebecca Azulay –astrònoma de l'Observatori Astronòmic i el Departament d'Astronomia i Astrofísica de la Universitat de València durant tot el transcurs de les observacions, així com de l'institut Max Planck de Radioastronomia de Bonn (Alemanya)- ha contribuït a l'obtenció de dades des de Sierra Nevada, i també a la configuració tècnica del radiotelescopi. “El telescopi IRAM de 30 metres de Sierra Nevada ha aportat informació decisiva per a la reconstrucció de les imatges obtingudes”, afirma Azulay. “Això es deu al fet que ha sigut l'únic de tota Europa que va poder participar en aquestes observacions, possibilitant, d'aquesta manera, la grandària de l'interferòmetre necessari per a obtindre la resolució aconseguida", conclou.
Un telescopi a escala global
Els telescopis que han contribuït a aquest resultat són ALMA, APEX, the IRAM 30-meter Telescope, the IRAM NOEMA Observatory (expected 2021), the Kitt Peak Telescope (expected 2021), the James Clerk Maxwell Telescope (JCMT), the Large Millimeter Telescope (LMT), the Submillimeter Array (SMA), the Submillimeter Telescope (SMT), the South Pole Telescope (SPT), and the Greenland Telescope (GLT, since 2018).
Secundat per una considerable inversió internacional, L’EHT enllaça els telescopis existents utilitzant sistemes nous i creant un nou instrument amb el major poder de resolució angular aconseguit fins ara. Els telescopis treballen connectats entre si usant la tècnica d’interferometrIa de molt llarga base (VLBI), que sincronitza el senyal rebut en antenes al voltant del món i explota la rotació del nostre planeta per a formar un enorme telescopi de la grandària de la Terra. La tècnica de VLBI permet que L’EHT abastE una resolució de vint microsegons, equivalent a identificar una taronja en la Terra vista per un astronauta des de la Lluna. L'anàlisi necessària per a transformar en imatge les dades en brut requereix ordinadors específics (o correlacionadors), allotjats al MPIfR a Bonn i al l'Observatori Haystack del MIT.
"L'any passat vam poder presentar la primera imatge de l'ombra d'un forat negre. Ara veiem canvis inesperats en la forma del jet en 3C 279, i encara no hem acabat. Estem treballant en l'anàlisi de les dades del centre de la nostra Galàxia, en Sgr A, i en altres galàxies actives com Centaurus A, OJ 287, i NGC 1052. Com vam dir l'any passat, això és només el començament", explica Anton Zensus, director de l'Institut Max Planck de Radioastronomia i president de la junta de la Col·laboració de l’EHT.
La campanya d'observació de març/abril de 2020 de l’EHT va ser cancel·lada a causa del brot global de CoViD-19. "Ara dedicarem tota la nostra concentració a completar les publicacions científiques de les dades de 2017 i a submergir-nos en l'anàlisi de les dades obtingudes amb la xarxa EHT millorada en 2018. Esperem amb interés les observacions amb la xarxa EHT ampliada a onze observatoris en la primavera de 2021", conclou Michael Hecht, astrònom del MIT/Observatori Haystack i director adjunt del Projecte EHT. La col·laboració EHT està formada per 290 investigadors de 62 institucions de tot el món.
Referència: J.I. Kim, T.P. Krichbaum, et al.: Event Horizon Telescope imaging of the archetypal blazar 3C 279 at an extreme 20 microarcsecond resolution, in: Astronomy & Astrophysics (April 07, 2020)
https://doi.org/10.1051/0004-6361/202037493