Una mirada aún más profunda al corazón de un cuásar

Un equipo internacional observa la estructura más interna del cuásar 3C 273

Casi todas las galaxias tienen un agujero negro supermasivo. Pero hay muchos tipos diferentes. Los cuásares, por ejemplo, son uno de los tipos de centros galácticos más brillantes y activos. Un grupo internacional, que incluye investigadores del Instituto Max Planck de Radioastronomía en Bonn, presenta nuevas observaciones del primer cuásar jamás identificado. Este «objeto estelar», llamado 3C 273, se encuentra a unos 1.900 millones de años luz de distancia en la dirección de la constelación de Virgo. Nuevas imágenes de radio rastrean el plano de regreso a su origen y muestran cómo varía su ancho a medida que aumenta la distancia desde el agujero negro central.

Zoom en el centro: la imagen de la izquierda muestra la vista más profunda hasta ahora en el flujo de plasma del cuásar 3C 273, lo que nos permite estudiar con más detalle cómo se enfocó el chorro. El chorro se extiende cientos de miles de años luz más allá de la galaxia, como se puede ver en la imagen óptica de la derecha, capturada por el Telescopio Espacial Hubble. Los investigadores utilizaron imágenes de radio en diferentes longitudes de onda y resoluciones angulares para medir la expansión de todo el plano. Los interferómetros de radio utilizados aquí son Global Millimeter VLBI Array (GMVA), Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) y High Sensitivity Array (HSA).

© Hiroki Okino y Kazunori Akiyama; Imágenes GMVA+ALMA y HSA: Okino et al.; Imagen HST: ESA/Hubble y NASA.

Zoom en el centro: la imagen de la izquierda muestra la vista más profunda hasta ahora en el flujo de plasma del cuásar 3C 273, lo que nos permite estudiar con más detalle cómo se enfocó el chorro. El chorro se extiende cientos de miles de años luz más allá de la galaxia, como se puede ver en la imagen óptica de la derecha, capturada por el Telescopio Espacial Hubble. Los investigadores utilizaron imágenes de radio en diferentes longitudes de onda y resoluciones angulares para medir la expansión de todo el plano. Los interferómetros de radio utilizados aquí son Global Millimeter VLBI Array (GMVA), Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) y High Sensitivity Array (HSA).

© Hiroki Okino y Kazunori Akiyama; Imágenes GMVA+ALMA y HSA: Okino et al.; Imagen HST: ESA/Hubble y NASA.

Los agujeros negros supermasivos activos emiten chorros de plasma increíblemente poderosos y estrechos que escapan a casi la velocidad de la luz. «Estos chorros se han estudiado durante muchas décadas, pero los detalles de la formación de los chorros no son buenos», dice Thomas Kirchbaum, astrónomo del Instituto Max Planck de Radioastronomía (MPIfR) en Bonn, Alemania, quien es uno de los los autores principales de este trabajo. El concepto y el tema de la investigación en curso. Un problema sin resolver era cómo y dónde los chorros se colimaban en un haz estrecho, lo que les permitía propagarse a grandes distancias fuera de su galaxia anfitriona. Los astrónomos ahora se dan cuenta de que estos chorros de gran alcance incluso puede influir en la evolución de una galaxia. Estas nuevas observaciones de radio investigan hasta 0,5 años luz de profundidad en el núcleo del agujero negro de 3C273 en la región donde el chorro de plasma fluye colimado en un haz estrecho».

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Este nuevo estudio, publicado hoy en The Astrophysical Journal, incluye observaciones de 3C 273 con la resolución angular más alta hasta la fecha. Este trabajo pionero es posible gracias al uso de un conjunto estrechamente coordinado de antenas de radio en todo el mundo, una combinación del Global Millimeter VLBI Array (GMVA) y el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) en Chile. Además, también se realizaron observaciones coordinadas utilizando High Sensitivity Array (HSA) para extender el estudio 3C 273 a escalas más grandes, con el fin de medir también la forma global de la aeronave. Los datos de esta investigación se recopilaron en 2017, casi al mismo tiempo que las observaciones del Event Horizon Telescope (EHT) revelaron las primeras imágenes de un agujero negro en M87, una radiogalaxia unas 20 veces más cercana que 3C273.

MPIfR es la organización líder en la GMVA. Los datos se procesan en el centro de enlace del instituto y se coordina la retroalimentación del instituto.

«3C 273 se ha estudiado durante décadas como el laboratorio ideal más cercano para los chorros de cuásar», dice Hiroki Okino, autor principal de este artículo y estudiante de doctorado en la Universidad de Tokio y el Observatorio Astronómico Nacional de Japón. «Sin embargo, a pesar de que los cuásares son un pariente cercano, hasta hace poco, no teníamos un ojo lo suficientemente agudo como para ver dónde se está formando este poderoso flujo estrecho de plasma».

Esta imagen del chorro 3C 273 brinda a los científicos la primera vista del chorro más interno del quásar, donde se produce la colimación o el estrechamiento del haz. El equipo también descubrió que el ángulo de la corriente de plasma que fluye desde el agujero negro se extiende a lo largo de una distancia muy larga. Esta parte estrecha del plano continúa increíblemente lejos, mucho más allá de la región donde gobierna la gravedad del agujero negro.

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«Es sorprendente ver cómo se ve la fuerte corriente que se forma lentamente a una larga distancia en un cuásar muy activo. Esto también se ha detectado cerca en agujeros negros supermasivos más débiles y menos energéticos», dice Kazunori Akiyama, científico investigador del MIT Haystack. Observatorio y líder de proyecto. «Los resultados plantean una nueva pregunta: ¿cómo se produce la colimación de los chorros de forma consistente en diversos sistemas de agujeros negros?».

Las nuevas imágenes de alta resolución de 3C 273 son posibles gracias a la inclusión del interferómetro ALMA, que se ha desarrollado gradualmente como un gran radiotelescopio. GMVA y ALMA se vincularon entre continentes mediante una técnica llamada interferometría de línea de base muy larga (VLBI) para obtener información muy detallada sobre fuentes astronómicas distantes. La impresionante capacidad VLBI de ALMA está habilitada por el equipo del Proyecto de Fases de ALMA (APP). El equipo internacional de APP, dirigido por el Observatorio Haystack del MIT y MPIfR, desarrolló el hardware y el software para convertir a ALMA, un grupo de sesenta y seis telescopios, en la estación interferométrica astronómica más sensible del mundo. La recopilación de datos en estas longitudes de onda aumenta en gran medida la precisión y la sensibilidad de la matriz VLBI. Esta capacidad ha sido clave no solo para el GMVA sino también para el trabajo de generación de imágenes de agujeros negros del EHT..

Anton Zensous, director de MPIfR y coautor del presente trabajo, concluye: «La unión de ALMA a las redes VLBI globales es un cambio de juego completo en la ciencia de los agujeros negros. Con este avance, hemos obtenido las primeras imágenes de agujeros negros supermasivos, y ahora de casos como 3C 273″. Esto nos ayuda a ver por primera vez detalles nuevos e increíbles sobre cómo los agujeros negros impulsan sus chorros también en objetos tan distantes».

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