Telescopio espacial podría revelar el anillo de fotones de un agujero negro         

 

Por Matt Williams, Universe Today.

04 de mayo de 2022.

Diferentes caminos de fotones crean capas de luz. Crédito: George Wong (UIUC) y Michael Johnson (CfA).

 

A pesar de décadas de estudio, los agujeros negros siguen estando entre los objetos celestes más poderosos y misteriosos jamás estudiados. Debido a las fuerzas gravitatorias extremas involucradas, nada puede escapar de la superficie de un agujero negro (incluida la luz). Como resultado, el estudio de estos objetos se ha limitado tradicionalmente a observar su influencia sobre los objetos y el espacio-tiempo en su vecindad. No fue hasta 2019 que el Event Horizon Telescope (EHT) capturó la primera imagen de un agujero negro.

 

Esta hazaña fue posible gracias a una técnica conocida como interferometría de línea de base muy larga (VLBI), que permitió a los científicos ver el anillo brillante que rodea el agujero negro supermasivo (SMBH) en el centro de la galaxia M87. Un nuevo estudio realizado por un equipo internacional de astrónomos ha demostrado cómo una misión de interferometría basada en el espacio podría revelar aún más secretos que se esconden tras el velo del horizonte de sucesos de un agujero negro.

 

La investigación fue dirigida por Leonid Gurvits, investigador del Joint Institute for Very Long Baseline Interferometry European Research Infrastructure Consortium (JIVE ERIC) y la Universidad Tecnológica de Delft. A él se unieron investigadores del Instituto de Radioastronomía (INAF), el Instituto de Investigación Espacial de los Países Bajos (SRON), el Centro de Astrofísica Computacional del Instituto Flatiron, el Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian (CfA), la Iniciativa Black Hole y múltiples universidades e institutos de investigación.

 

Como indican en su estudio, la resolución angular ultra alta en astronomía siempre se ha visto como una puerta de entrada a grandes  descubrimientos. En este proceso, conocido como interferometría, varios observatorios recogen la luz de un solo objeto que, de otro modo, sería muy difícil de resolver. En los últimos años, los astrónomos han confiado en VLBI para detectar radiación en longitudes de onda milimétricas y submilimétricas. El coautor del estudio, el Dr. Zsolt Paragi, investigador asociado de JIVE ERIC, dijo: "En general, las imágenes de alta resolución angular se logran en astronomía de tres maneras: aumentando el tamaño de nuestros telescopios, observando la luz en longitudes de onda más cortas , y eliminando (o al menos compensando) las perturbaciones causadas por la atmósfera terrestre.

 

"La radioastronomía fue pionera en el desarrollo de técnicas de imagen basadas en la interferometría, cuando la señal de diferentes  telescopios a grandes distancias se combinan sin problemas (en nuestra terminología: coherentemente). En este caso, el factor último que determina el poder de resolución del instrumento es el distancia entre los telescopios, que llamamos líneas de base".

 

Un buen ejemplo de esto es el Event Horizon Telescope (EHT), que capturó la primera imagen de un agujero negro supermasivo (M87) el 10 de abril de 2019. A esto le siguió en 2021 una imagen de la región central de la galaxia Centaurus A y el chorro de radio que emana de él. Sin embargo, estas imágenes eran poco más que círculos tenues, que representaban la luz atrapada dentro del horizonte de eventos SMBH, el límite del que nada (ni siquiera la luz) puede escapar.

 

Sin embargo, la imagen de M87 adquirida por el EHT constituyó la primera confirmación directa de la existencia de SMBH y fue la primera vez que se tomaron imágenes de las sombras que lo rodean. Esta imagen también proporcionó una vista de la materia que cae alrededor del agujero negro supermasivo, distorsionada por una gravedad extremadamente fuerte. En los últimos años, dijo el Dr. Paragi, se han producido otros desarrollos en el campo de VLBI que ofrecen una muestra de lo que está por venir:

 

"Otro resultado clave en los últimos años fue probar el origen cosmológico de los misteriosos destellos de radio de milisegundos de duración  que llamamos ráfagas de radio rápidas. Debido a su excelente capacidad de imágenes de alta resolución, la Red VLBI europea proporcionó, con mucho, la localización del cielo de mayor precisión de estas señales muy breves, que son extremadamente difíciles de captar incluso con los interferómetros más modernos.

 

"Estas imágenes de longitud de onda centimétrica no solo muestran de qué galaxia provienen las señales, sino que también pueden reducir la posición de la señal a pequeñas regiones dentro de la galaxia, lo que será crucial para comprender el fenómeno".

 

Según la comunidad astronómica, el siguiente paso lógico es capturar el anillo de fotones. En esta región, la fuerza gravitacional es tan  fuerte que los fotones se ven obligados a viajar en órbitas. En las imágenes del EHT, gran parte de la luz de este anillo se dispersó antes de llegar a la Tierra, creando las imágenes relativamente borrosas resultantes. Para aprovechar su éxito, el EHT de próxima generación (ngEHT) agregará diez nuevos telescopios mientras moderniza los que ya forman parte de la red.

 

Sin embargo, a través de matrices VLBI basadas en el espacio, los astrónomos podrán proporcionar las imágenes más detalladas de los  anillos de fotones alrededor de los SMBH e incluso los propios horizontes de eventos, según el Dr. Paragi. Por el bien de su estudio, el equipo abordó el potencial de un futuro telescopio espacial VLBI conocido como Terahertz Exploration and Zooming-in for Astrophysics (THEZA), que fue el tema de un informe técnico de Gurvits, Paragi y muchos de los miembros del equipo que escribieron este último artículo.

 

Este documento se presentó como parte de ESA Voyage 2050, una convocatoria abierta para propuestas de misiones científicas de clase grande que se llevarán a cabo en la línea de tiempo 2035-2050. Al igual que los telescopios espaciales que estudian el cosmos en el espectro óptico, infrarrojo, de rayos X, de radio y otras partes, este concepto requiere un interferómetro espacial para estudiar la física del espacio-tiempo en las proximidades de los SMBH. Como lo describió el Dr. Paragi:

 

"Observar desde el espacio en longitudes de onda muy cortas, milimétricas a submilimétricas, abrirá nuevas dimensiones a VLBI. Las  ventajas de una misión basada en el concepto THEZA son dobles. Por un lado, poder ir por debajo de las longitudes de onda del evento. Horizon Telescope [o el ngEHT], una nueva población de agujeros negros supermasivos sería accesible para imágenes de sombras de agujeros negros resueltas, que están oscurecidas para esos instrumentos. Además, permitiría sondas únicas de las propiedades de giro y espacio-tiempo de los agujeros negros".

 

El equipo revisó todos los elementos del telescopio, incluidos los sistemas de antena, los receptores, los amplificadores de bajo ruido, los osciladores locales, los mezcladores y el transporte y procesamiento de datos. Descubrieron que un interferómetro basado en el concepto THEZA lograría los tres objetivos principales de una misión astronómica de ultra alta resolución angular. En resumen, estará libre de interferencias de la atmósfera de la Tierra y observará agujeros negros a frecuencias más altas y líneas de base más largas que nunca.

 

"Al estudiar sistemas únicos que consisten en pares cercanos de agujeros negros supermasivos, THEZA puede revelar procesos que  condujeron a un crecimiento acelerado de agujeros negros en los albores del Universo, que también tuvo una marcada huella en la evolución de las galaxias", agregó el Dr. Paragi. "Más importante aún, THEZA ampliará nuestros horizontes para la medición detallada de la sombra de los agujeros negros. Esto dará como resultado una mejor comprensión de la gravedad, lo cual es importante porque la gravedad juega un papel fundamental en la configuración del Universo".

 

En los próximos años, los observatorios de próxima generación se basarán en detectores mejorados y tecnologías de transmisión de datos  para proporcionar una imagen aún más detallada de algunos de los objetos más misteriosos del Universo. Estos incluyen propuestas como el telescopio espacial Spektr-M propuesto, que se espera que se lance en 2030. Este instrumento estará equipado con un espejo primario de 10 metros capaz de observar el cosmos en longitudes de onda submilimétricas e infrarrojas lejanas.

 

El Telescopio Espacial James Webb (JWST), que alcanzó su destino orbital (L2) en enero y estaba casi lo suficientemente frío (a fines de abril) para comenzar a operar, realizará pronto sus propios estudios de interferometría. Como parte del instrumento Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph (NIRISS), el interferómetro de enmascaramiento de apertura (AMI) convertirá la apertura completa de los espejos segmentados de JWST en una matriz interferométrica.

 

Con los planes de la NASA de enviar astronautas de regreso a la Luna (Programa Artemis) y otras agencias espaciales que se embarcan en programas de exploración lunar, incluso hay propuestas para construir telescopios VLBI en el lado oculto de la Luna, donde estarían libres de interferencias atmosféricas y lumínicas.

 

Fuente:

https://phys.org/news/2022-05-space-telescope-reveal-black-hole.html