Un telescopio más grande que la Tierra ha descubierto una cadena de plasma en el Universo.

Utilizando una red de radiotelescopios en la Tierra y en el espacio, los astrónomos han capturado la vista más detallada jamás vista de un chorro de plasma disparo de un supermasivo agujero negro en el corazón de una galaxia lejana.

El chorro, que se origina en el corazón de un distante blazar llamado 3C 279, viaja casi a la velocidad de la luz y exhibe patrones complejos y retorcidos cerca de su fuente. Estos modelos desafían la teoría estándar utilizada durante 40 años para explicar cómo se forman y evolucionan estos chorros con el tiempo.

Una importante contribución a las observaciones fue posible gracias al Instituto Max Planck de Radioastronomía en Bonn, Alemania, donde se combinaron datos de todos los telescopios participantes para crear un telescopio virtual con un diámetro efectivo de aproximadamente 100.000 kilómetros.

Sus hallazgos fueron publicados recientemente en astronomía natural.

Figura 1: Filamentos entrelazados en el blazar 3C 279. Imagen de alta resolución del chorro relativista en esta fuente observado por el programa RadioAstron. La imagen revela una estructura compleja dentro del chorro con varios filamentos a escala de pársec que forman una hélice. La red incluye datos de radiotelescopios de todo el mundo y en órbita terrestre, incluido el radiotelescopio Effelsberg de 100 m. Los datos fueron procesados ​​posteriormente en el centro correlacionador del Instituto Max Planck de Radioastronomía. Crédito: colaboración NASA/DOE/Fermi LAT; VLBA/Jorstad et al.; RadioAstron/Fuentes et al.

Descripción general de Blazars

Los blazares son las fuentes de radiación electromagnética más brillantes y poderosas del cosmos. Son una subclase de núcleos galácticos activos que comprenden galaxias con un agujero negro supermasivo central que acumula materia de un disco circundante. Alrededor del 10% de los núcleos galácticos activos, clasificados como quásares, producen chorros de plasma relativistas. Los bazares pertenecen a una pequeña fracción de los quásares en los que se pueden ver estos chorros apuntando casi directamente hacia el observador.

Recientemente, un equipo de investigadores, incluidos científicos del Instituto Max Planck de Radioastronomía (MPIfR) en Bonn, Alemania, tomó imágenes de la región más interna del chorro Blazar 3C 279 con una resolución angular sin precedentes y detectó filamentos con patrones helicoidales notablemente regulares que podrían requerir una revisión. de los modelos teóricos utilizados hasta ahora para explicar los procesos mediante los cuales se producen los chorros en las galaxias activas.

“Gracias a RadioAstron, la misión espacial para la que el radiotelescopio en órbita alcanzó distancias hasta la Luna, y a un conjunto de veintitrés radiotelescopios distribuidos por la Tierra, hemos obtenido la imagen de mayor resolución hasta la fecha del interior de un blazar, lo que nos permite «Nos permitió observar por primera vez con tanto detalle la estructura interna del chorro», explica Antonio Fuentes, investigador del Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC) en Granada, España, que lidera el trabajo.

Implicaciones teóricas y desafíos.

La nueva ventana al universo abierta por la misión RadioAstron ha revelado nuevos detalles sobre el chorro de plasma de 3C 279, un blazar con un agujero negro supermasivo en su corazón. El chorro tiene al menos dos filamentos de plasma retorcidos que se extienden a más de 570 años luz del centro.

“Esta es la primera vez que vemos filamentos de este tipo tan cerca del origen del chorro y nos dicen más sobre cómo el agujero negro da forma al plasma. El chorro interior también fue observado por otros dos telescopios, GMVA y EHT, en longitudes de onda mucho más cortas (3,5 mm y 1,3 mm), pero no pudieron detectar las formas filamentosas porque son demasiado débiles y demasiado grandes para esta resolución”, explica Eduardo. Ros, miembro del equipo de investigación y programador europeo de la GMVA. «Esto muestra cómo diferentes telescopios pueden revelar diferentes características del mismo objeto», añade.

Figura 2: La observación RadioAstron VLBI proporciona un telescopio virtual de hasta ocho veces el diámetro de la Tierra (línea de base máxima de 350.000 km). Crédito: Roscosmos

Los chorros de plasma de los blazares no son exactamente rectos y uniformes. Muestran giros y vueltas que muestran cómo el plasma se ve afectado por las fuerzas alrededor del agujero negro. Los astrónomos que estudiaron estos giros en 3C279, llamados filamentos helicoidales, descubrieron que fueron causados ​​por inestabilidades que se desarrollaban en el plasma del chorro. Al hacerlo, también se dieron cuenta de que la vieja teoría que habían utilizado para explicar la evolución de los aviones a lo largo del tiempo ya no funcionaba. Por lo tanto, se necesitan nuevos modelos teóricos para explicar cómo se forman y evolucionan estos filamentos helicoidales tan cerca del origen del chorro. Es un gran desafío, pero también una gran oportunidad para aprender más sobre estos asombrosos fenómenos cósmicos.

«Un aspecto particularmente intrigante de nuestros resultados es que sugieren la presencia de un campo magnético helicoidal que confina el chorro», explica Guang-Yao Zhao, actualmente afiliado al MPIfR y miembro del equipo científico. «Por lo tanto, podría ser el campo magnético, que gira en el sentido de las agujas del reloj alrededor del chorro en 3C 279, el que dirige y guía el plasma del chorro que viaja a una velocidad de 0,997 veces la velocidad de la luz».

«Se han observado filamentos helicoidales similares antes en chorros extragalácticos, pero a escalas mucho mayores, donde serían el resultado de diferentes partes del flujo que se mueven a diferentes velocidades y se cortan entre sí», añade Andrei Lobanov, otro científico del MPIfR en el equipo de investigación. . . «Con este estudio entramos en un área completamente nueva en la que estos filamentos pueden conectarse con los procesos más complejos en las inmediaciones del agujero negro que produce el chorro».

El estudio del chorro interno de 3C279, presentado ahora en el último número de Nature Astronomy, amplía los esfuerzos en curso para comprender mejor el papel de los campos magnéticos en la formación inicial de los flujos relativistas de los núcleos galácticos activos. Destaca los muchos desafíos pendientes para el modelado teórico actual de estos procesos y demuestra la necesidad de mejorar aún más los instrumentos y técnicas de radioastronomía que ofrecen la oportunidad única de obtener imágenes de objetos cósmicos distantes con una resolución angular récord.

Avances tecnológicos y colaboración

Utilizando una técnica especial llamada interferometría de línea de base muy larga (VLBI), se crea un telescopio virtual con un diámetro efectivo igual a la separación máxima entre las antenas involucradas en una observación combinando y correlacionando datos de diferentes radioobservatorios. Yuri Kovalev, científico del proyecto RadioAstron y ahora en MPIfR, subraya la importancia de una sana colaboración internacional para lograr tales resultados: “Los observatorios de doce países se sincronizaron con la antena espacial mediante relojes de hidrógeno, formando así un telescopio virtual del tamaño de la distancia que nos separa del espacio. Luna.»

Anton Zensus, director de MPIfR y una de las fuerzas impulsoras detrás de la misión RadioAstron durante las últimas dos décadas, dijo: «Los experimentos con RADIOASTRON que llevaron a imágenes como estas para el cuásar 3C279 son logros excepcionales posibles gracias a la colaboración científica internacional de observatorios. y científicos de muchos países. La misión requirió décadas de planificación conjunta antes de que se lanzara el satélite. La obtención de imágenes reales fue posible gracias a la conexión de grandes telescopios terrestres como el Effelsberg y al análisis cuidadoso de los datos en nuestro centro de correlación VLBI en Bonn.

Referencia: “Estructuras filamentosas como origen de la radiovariabilidad de los planos blazares” por Antonio Fuentes, José L. Gómez, José M. Martí, Manel Perucho, Guang-Yao Zhao, Rocco Lico, Andrei P. Lobanov, Gabriele Bruni, Yuri Y. Kovalev, Andrew Chael, Kazunori Akiyama, Katherine L. Bouman, He Sun, Ilje Cho, Efthalia Traianou, Teresa Toscano, Rohan Dahale, Marianna Foschi, Leonid I. Gurvits, Svetlana Jorstad, Jae-Young Kim, Alan P. Marscher , Yosuke Mizuno, Eduardo Ros y Tuomas Savolainen, 26 de octubre de 2023, astronomía natural.
DOI: 10.1038/s41550-023-02105-7

Informaciones complementarias

La misión del interferómetro Tierra-espacio de RadioAstron, activa desde julio de 2011 hasta mayo de 2019, consistió en un radiotelescopio en órbita de 10 metros (Spektr-R) y una colección de aproximadamente dos docenas de los radiotelescopios terrestres más grandes del mundo, incluidos los 100 m Radiotelescopio Effelsberg. Cuando se combinaron señales de telescopios individuales utilizando interferencias de ondas de radio, este conjunto de telescopios proporcionó una resolución angular máxima equivalente a la de un radiotelescopio de 350.000 km de diámetro, casi la distancia entre la Tierra y la Luna. Esto convirtió a RadioAstron en el instrumento de mayor resolución angular en la historia de la astronomía. El proyecto RadioAstron fue dirigido por el Centro Astroespacial del Instituto de Física Lebedev de la Academia de Ciencias de Rusia y la Asociación Científica y de Producción Lavochkin en virtud de un contrato con la corporación espacial nacional ROSCOSMOS, en colaboración con organizaciones asociadas en Rusia y otros países. Los datos astronómicos de esta misión son analizados por científicos individuales de todo el mundo, arrojando resultados comparables a los presentados aquí.

Los siguientes colaboradores del trabajo presentado están afiliados a MPIfR, en orden de aparición en la lista de autores: Guang-Yao Zhao, Andrei P. Lobanov, Yuri Y. Kovalev, Efthalia (Thalia) Traianou, Jae-Young Kim, Eduardo Ros, y Tuomas Savolainen. Los colaboradores Rocco Lico y Gabriele Bruni también estuvieron afiliados al MPIfR durante la misión RadioAstron.

Yuri Y. Kovalev reconoce el Premio de Investigación Friedrich Wilhelm Bessel de la Fundación Alexander von Humboldt.