dimecres, 10 d’abril de 2019

L’horitzó d’esdeveniments de la galàxia M87 al telescopi

Astronomia: Avui l’equip de l’Event Horizon Telescope (EHT) presentava en rodes de premsa les primeres imatges telescòpiques d’un forat negre, concretament el forat negre supermassiu de la galàxia M87. Aquest forat negre és pràcticament el centre gravitatori d’aquesta galàxia el·líptica gegant que, al seu torn, és el centre gravitatori del Cúmul de Virgo que, alhora, és el centre gravitatori del Supercúmul Local de Galàxies. Quan diem que és un forat negre supermassiu ens referim al fet que té una massa total de 1,3·1040 kg, és a dir equivalent a 6500 milions de masses solars. La galàxia M87 és troba a una distància de 5,2·1023 m (55 milions d’anys-llum o 17 megaparsecs). L’Event Horizon Telescope (EHT) és en realitat la combinació de vuit radiotelescopis distribuïts per la superfície terrestre. Aquests radiotelescopis arriben a constituir, combinats, un telescopi virtual de dimensions planetàries, la qual cosa en multiplica la sensibilitat i la resolució. L’EHT és el fruit de la cooperació de 200 investigadors, el coordinador dels quals és Sheperd S. Doeleman, del Center for Astrophysics de Harvard & Smithsonian. Els resultats de l’observacions de l’EHT sobre el centre de l’M87 apareixen publicats en el número 875 de The Astrophysical Journal (ApJL)

L’anell de la llum vinclada per la intensa gravetat del forat negre gegantí que hi ha al centre de la galàxia M87 observat a través de l’Event Horizon Telescope

L’ombra d’un forat negre supermassiu

En el primer article, Kanuzori Akiyama et al. ens expliquen en què consisteix la imatge assolida. L’ombra fosca del forat negre es produïda pel vinclament gravitacional de la llum i la captura fotònica en l’horitzó d’esdeveniments. Més enllà de l’horitzó d’esdeveniments el camp gravitatori és tan fort que la llum no hi pot escapar, de manera que es trenca qualsevol relació causal entre el que hi ha més a dins i el que hi ha a fora.

Quan parlem de llum fem referència a tota radiació electromagnètica. Concretament, l’EHT realitza observacions interferomètriques en la banda de 1,3 mm, és a dir ja en les ones de ràdio (la freqüència de 230 GHz). La combinació de radiotelescopis situats en diferents punts de la Terra permet reconstruir imatges de la regió on teòricament se situa el candidat a forat negre supermassiu que rauria al centre de la galàxia el·líptica gegant M87. Aquesta regió una font compacte de radioones que, d’acord amb les imatges de l’EHT, tindria un diàmetre aparent de 42 ± 3 microsegons d’arc. Aquest anell d’emissió, de forma circular, conté una depressió central en lluminositat. Les dimensions i morfologia de l’anell han estat calculats en base a quatre observacions realitzades en dies diferents. L’ombra interna coincidiria amb el que hom esperaria d’un forat negre d’acord amb la relativitat general d’Albert Einstein i la mètrica de Roy Kerr.


Imatge central del cúmul de Virgo. La galàxia del centre és l’M87, amb un diàmetre aparent de 7 minuts d’arc

La lluminositat de l’anell és asimètric, cosa atribuïble amb un feix d’emissió procedent d’un plasma que rotaria a una velocitat propera a la de la llum, la qual cosa també quedaria dins de la teoria de la relativitat general.

L’equip de l’EHT ha comparat les imatges obtingudes amb la bibliografia sobre simulacions de forats negres. D’aquesta comparació estimen que la massa central de l’objecte seria de 6,5 ± 0,7 · 109 masses solars.

Les observacions de l’EHT constitueixen una prova de la presència de forats negres supermassius en centres de galàxies i del seu rol com a motors centrals en els nuclis galàctics actius. També ofereixen la possibilitat d’estudiar els sistemes gravitatoris més extrems de l’univers.

Un telescopi amb una resolució de 25 microsegons d’arc

En el segon article l’equip de l’EHT ens expliquen com funciona el seu sistema de radiotelescopis. És un sistema d’interferometria de línia de base molt llarga (VLBI). Els integrants són radiotelescopis que detecten radiacions de longituds d’ona del mil·límetre i inferiors (de 200 GHz en endavant). Aquests radiotelescopis es troben situats en diferents punts de la superfície terrestre, de forma que tot el sistema cobreix una superfície comparable al diàmetre planetari (12700 km). Per connectar-los, l’EHT va haver de desenvolupar sistemes digitals d’ample de banda capaços de procedir a velocitats de 64 gigabits per segon. A una longitud d’ona de 1,3 mm, la resolució angular de l’EHT és de 25 microsegons d’arc. Recordem que si un cercle major de l’esfera celeste es divideix en 360 graus sexagesimals, cada grau consta de 60 minuts d’arc i 3600 segons d’arc. Així un cercle major de l’esfera celeste equival a 1,296 bilions de microsegons d’arc.

Aquesta resolució angular és suficient per resoldre candidats a forats negres supermassius del Supercúmul Local. Per exemple, l’anell del centre de l’M87, amb 42 microsegons d’arc, tindria una mida de 700 unitats astronòmiques (1,0·1014 m).

Els objectius científics de l’EHT són l’estudi dels efectes de la relativitat general en un règim de camp gravitatori fort. Es tracta de conèixer el procés d’acreció dels forats negres supermassius i la formació de raigs relativístics. El projecte feu les primeres observacions l’abril del 2017, i el seu primer objectiu fou la galàxia més espectacular del nostre Supercúmul Local: la M87.

El processament de dades i el calibratge

El tercer article de l’equip d’EHT es dedica al processament de dades i al calibratge.
Entre el 5 i l’11 d’abril del 2017 es realitzà una campanya d’observacions en l’EHT. S’observà la galàxia M87 i també el quàsar 3C 279, tots dos a la constel·lació de Virgo (que en aquesta època de l’any culmina a mitjanit). Per l’èxit d’aquesta campanya d’observacions fou necessari bastir un protocol de calibratge que atengués a les fluctuacions atmosfèriques i a l’heterogeneïtat dels instruments connectats. Els calibratges en amplitud d’intensitat i informació de fase foren validats amb una sèrie de proves de garantia de qualitat, establint uns límits d’error sistemàtic del 2% en amplitud i de 1˚ en fase.

L’obtenció d’imatges del forat negre supermassiu de l’M87

En el quart article, l’EHT explica com s’obtingueren les imatges del forat negre supermassiu de l’M87. Les observacions es realitzaren, com s’ha dit, l’abril d’ara fa dos anys. Se’n deduí la presència d’un anell lluminós que envoltava l’ombra del forat negre. Aquest anell persistí en les quatre nits de les observacions. Té una forma circular, però no és d’una lluminositat homogènia, sinó que assoleix més magnitud en la zona sud.

Inicialment, quatre equips d’investigadors, de manera independent, tractaven les dades d’acord amb dues tècniques, la primera un mètode establert i la segona un mètode més recent de probabilitat màxima regularitzada.

En la segona fase, es reconstruïren les dades sintètiques a partir d’un enorme repàs de paràmetres d’imatge i se les comparava amb imatges de l’M87.

Aquestes metodologies semblen demostrar que tant la mida com l’asimetria de l’anell central de l’M87 es confirmen a través de diferents tècniques d’imatge.

L’origen físic de l’anell asimètric

El cinquè article detalla la cartografia de radioones de 1,3 mm de la font compacta de radioones que es troba en el centre de la galàxia M87. Es tracta d’un anell asimètric, més lluminós en la part sud que en la part nord.

L’equip de l’EHT ha comparat les imatges obtingudes amb simulacions magnetohidrodinàmiques. Conclouen que les imatges són compatibles amb les prediccions sobre el comportament que seguiria plasma calent que orbités en les immediacions de l’horitzó d’esdeveniments d’un forat negre. El radi de l’anell depèn directament de la massa del forat negre. D’altra banda l’asimetria de l’anell depèn del spin del forat negre, a través del procés d’extracció d’energia de Blandford-Znajek.
Futures campanyes de l’EHT afegiran a les observacions en 230 GHz les de freqüències més altes (345 GHz), així com dades de polarització. Caldrà veure si la morfologia de l’anell central de l’M87 es manté en el temps, tal com preveu la teoria. Finalment, a més de l’M87, les dades del 3C 279 ajudaran a explorar els forats negres que alimenten aquests nuclis galàctics actius.

Lligams:
- Event Horizon Telescope.