Se ha verificado el giro del agujero negro supermasivo: brilla la teoría general de la relatividad de Einstein

El de la galaxia M87 agujero negro muestra un chorro oscilante, lo que confirma su rotación, como se deduce de un estudio de veinte años en línea con las predicciones de la Teoría General de la Relatividad de Einstein.

La cercana radiogalaxia M87, situada a 55 millones de años luz de la Tierra y que alberga un agujero negro 6.500 millones de veces más masivo que el Sol, muestra un chorro oscilante que oscila hacia arriba y hacia abajo con una amplitud de unos 10 grados, lo que confirma la existencia de el agujero negro. rotación.

El estudio, dirigido por el investigador chino Dr. Yuzhu Cui y publicado en Naturaleza El 27 de septiembre fue realizado por un equipo internacional utilizando una red global de radiotelescopios.

Mediante un análisis en profundidad de los datos del telescopio desde 2000 hasta 2022, el equipo de investigación reveló un ciclo recurrente de 11 años en el movimiento precesional de la base del jet, como predijo la Teoría General de la Relatividad de Einstein. El estudio vincula la dinámica del chorro con el agujero negro supermasivo central, ofreciendo evidencia de que el agujero negro de M87 gira sobre sí mismo.

Fenómenos de agujeros negros supermasivos

Los agujeros negros supermasivos en los centros de galaxias activas (los objetos celestes más perturbadores de nuestro universo) pueden acumular enormes cantidades de material debido a su extraordinaria atracción y poder gravitacional. plasma flujos de salida, conocidos como chorros, que se acercan a la velocidad de la luz y se extienden a miles de años luz de distancia.

El mecanismo de transferencia de energía entre los agujeros negros supermasivos, sus discos de acreción y los chorros relativistas ha desconcertado a físicos y astrónomos durante más de un siglo. Una teoría predominante sugiere que se puede extraer energía de un agujero negro en rotación, permitiendo que el material que rodea al agujero negro supermasivo sea expulsado con gran energía. Sin embargo, la rotación de los agujeros negros supermasivos, un factor crucial en este proceso y el parámetro más fundamental además de la masa del agujero negro, no se había observado directamente.

Panel superior: estructura del chorro M87 a 43 GHz según datos de apilamiento de dos años observados entre 2013 y 2018. Las flechas blancas indican el ángulo de posición del chorro en cada subtrama. Panel inferior: resultados mejor ajustados basados ​​en la imagen apilada anual de 2000 a 2022. Los puntos verde y azul se obtuvieron de observaciones a 22 GHz y 43 GHz, respectivamente. La línea roja representa el mejor ajuste según el modelo de precesión. Crédito: Yuzhu Cui y otros, 2023

Centrarse en M87

En este estudio, el equipo de investigación se centró en M87, donde se observó el primer chorro astrofísico de observación en 1918. Debido a su proximidad, las regiones de formación de chorros cerca del agujero negro se pueden resolver en detalle con interferometría de línea de base muy larga (VLBI), como lo representan las imágenes recientes de la sombra del agujero negro con el Telescopio del Horizonte de Sucesos (EHT). Al analizar los datos VLBI de M87 obtenidos durante los últimos 23 años, el equipo detectó el chorro precesional periódico en su base, lo que ofrece información sobre el estado del agujero negro central.

Dinámica y relatividad de los agujeros negros.

En el centro de este descubrimiento está la pregunta crucial: ¿Qué fuerza en el universo podría alterar la dirección de un chorro tan poderoso? La respuesta puede estar en el comportamiento del disco de acreción, una configuración vinculada al agujero negro supermasivo central.

A medida que los materiales que caen orbitan alrededor del agujero negro debido a su momento angular, forman una estructura en forma de disco antes de girar gradualmente en espiral hacia adentro hasta ser arrastrados fatalmente hacia el agujero negro. Sin embargo, si el agujero negro gira, ejerce un impacto significativo en el espacio-tiempo circundante, provocando que los objetos cercanos sean arrastrados a lo largo de su eje de rotación, un fenómeno conocido como «frame-dragging», predicho por la Teoría General de la Relatividad de Einstein.

El análisis en profundidad del equipo de investigación indica que el eje de rotación del disco de acreción se desalinea con el eje de rotación del agujero negro, lo que genera un chorro precesional. La detección de esta precesión proporciona evidencia inequívoca de que el agujero negro supermasivo en M87 está efectivamente girando, mejorando así nuestra comprensión de la naturaleza de los agujeros negros supermasivos.

«Estamos entusiasmados con este importante descubrimiento», afirmó Yuzhu Cui, investigador postdoctoral en el Laboratorio Zhejiang, un instituto de investigación en Hangzhou, y autor principal y correspondiente del artículo. “Dado que la desalineación entre el agujero negro y el disco es relativamente pequeña y el período de precesión es de aproximadamente 11 años, la acumulación de datos de alta resolución que rastrean la estructura de M87 durante dos años es esencial para lograr este resultado. análisis en profundidad”.

«Después de obtener imágenes exitosas del agujero negro en esta galaxia con el EHT, si este agujero negro está rotando o no ha sido una preocupación central entre los científicos», añadió el Dr. Kazuhiro Hada, del Observatorio Astronómico Nacional de Japón. “Ahora la espera se ha convertido en certeza. Este monstruoso agujero negro realmente está girando”.

Contribuciones e implicaciones futuras

Este trabajo utilizó un total de 170 épocas de observaciones obtenidas de la Red VLBI de Asia Oriental (EAVN), el Very Long Baseline Array (VLBA), la red conjunta de KVN y VERA (KaVA) y la Red Casi Global de Asia Oriental a Italia. (COMER). En total, más de 20 telescopios de todo el mundo contribuyeron a este estudio.

Los radiotelescopios chinos también han contribuido a este proyecto, incluido el radiotelescopio Tianma de China, de 65 metros, con su enorme plato y su alta sensibilidad a las longitudes de onda milimétricas. Además, el radiotelescopio de Xinjiang de 26 metros mejora la resolución angular de las observaciones de EAVN. Para lograrlo, es esencial disponer de datos de buena calidad con alta sensibilidad y alta resolución angular.

“El radiotelescopio Shigatse de 40 metros, integrado en el Observatorio Astronómico de Shanghai, mejorará aún más la capacidad de obtención de imágenes milimétricas del EAVN. En particular, la meseta tibetana, donde está ubicado el telescopio, tiene una de las condiciones más excelentes para observaciones de longitudes de onda (sub)milimétricas. Cumple con nuestras expectativas de promover instalaciones submilimétricas nacionales para observaciones astronómicas”, afirmó el Prof. Zhiqiang Shen, Director del Observatorio Astronómico de Shanghai de la Academia de Ciencias de China.

Si bien este estudio arroja luz sobre el misterioso mundo de los agujeros negros supermasivos, también presenta desafíos formidables. La estructura del disco de acreción y el valor exacto de la rotación del agujero negro supermasivo M87 son todavía muy inciertos. Este trabajo también predice que habrá más fuentes con esta configuración, desafiando así a los científicos a descubrirlas.

Referencia: “Boquilla de chorro de precesión conectada a un agujero negro giratorio en M87” por Yuzhu Cui, Kazuhiro Hada, Tomohisa Kawashima, Motoki Kino, Weikang Lin, Yosuke Mizuno, Hyunwook Ro, Mareki Honma, Kunwoo Yi, Jintao Yu, Jongho Park, Wu Jiang, Zhiqiang Shen, Evgeniya Kravchenko, Juan-Carlos Algaba, Xiaopeng Cheng, Ilje Cho, Gabriele Giovannini, Marcello Giroletti, Taehyun Jung, Ru-Sen Lu, Kotaro Niinuma, Junghwan Oh, Ken Ohsuga, Satoko Sawada-Satoh, Bong Won Sohn , Hiroyuki R. Takahashi, Mieko Takamura, Fumie Tazaki, Sascha Trippe, Kiyoaki Wajima, Kazunori Akiyama, Tao An, Keiichi Asada, Salvatore Buttaccio, Do-Young Byun, Lang Cui, Yoshiaki Hagiwara, Tomoya Hirota, Jeffrey Hodgson, Noriyuki Kawaguchi, Jae-Young Kim, Sang-Sung Lee, Jee Won Lee, Jeong Ae Lee, Giuseppe Maccaferri, Andrea Melis, Alexey Melnikov, Carlo Migoni, Se-Jin Oh, Koichiro Sugiyama, Xuezheng Wang, Yingkang Zhang, Zhong Chen, Ju-Yeon Hwang, Dong-Kyu Jung, Hyo-Ryoung Kim, Jeong-Sook Kim, Hideyuki Kobayashi, Bin Li, Guanghui Li, Xiaofei Li, Zhiyong Liu, Qinghui Liu, Xiang Liu, Chung-Sik Oh, Tomoaki Oyama, Duk-Gyoo Roh , Jinqing Wang, Na Wang, Shiqiang Wang, Bo Naturaleza.
DOI: 10.1038/s41586-023-06479-6