Observações de 345 GHz revelam buracos negros como nunca antes

A colaboração do Event Horizon Telescope (EHT) aprimorou suas capacidades de observação, alcançando resoluções sem precedentes ao detectar luz em uma frequência de 345 GHz.

Essa descoberta permite imagens detalhadas de buracos negros, prometendo imagens 50% mais detalhadas do que as anteriores e o potencial de visualizar mais buracos negros do que nunca.

Avanço na geração de imagens de buracos negros

A colaboração do Event Horizon Telescope (EHT) conduziu observações de teste, usando o Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) e outras instalações, que alcançaram a maior resolução já obtida da superfície da Terra.⁽¹⁾ Eles conseguiram esse feito detectando luz de galáxias distantes em uma frequência de cerca de 345 GHz, equivalente a um comprimento de onda de 0,87 mm.

A Colaboração estima que no futuro será capaz de fazer buraco negro imagens que são 50% mais detalhadas do que era possível antes, trazendo a região imediatamente fora do limite de buracos negros supermassivos próximos para um foco mais nítido. Eles também serão capazes de obter imagens de mais buracos negros do que fizeram até agora. As novas detecções, parte de um experimento piloto, foram publicadas hoje (27 de agosto) em O Jornal Astronômico.

Neste episódio de Chasing Starlight, QUE a astrônoma Suzanna Randall revela como um experimento piloto usando telescópios que fazem parte do EHT foi capaz de obter as observações de mais alta resolução já feitas do solo, e o que isso significa para futuras imagens de buracos negros. Crédito: ESO

Avanços na visualização de buracos negros

A Colaboração EHT divulgou imagens de M87*, o buraco negro supermassivo no centro da galáxia M87, em 2019e de Sgr A*, o buraco negro no coração do nosso Via Láctea galáxia, em 2022. Essas imagens foram obtidas conectando vários observatórios de rádio ao redor do planeta, usando uma técnica chamada interferometria de linha de base muito longa (VLBI), para formar um único telescópio virtual “do tamanho da Terra”.

Para obter imagens de maior resolução, os astrônomos normalmente contam com telescópios maiores — ou uma separação maior entre observatórios trabalhando como parte de um interferômetro. Mas como o EHT já era do tamanho da Terra, aumentar a resolução de suas observações terrestres exigia uma abordagem diferente. Outra maneira de aumentar a resolução de um telescópio é observar luz de um comprimento de onda menor — e é isso que a Colaboração EHT fez agora.

“Com o EHT, vimos as primeiras imagens de buracos negros usando observações de comprimento de onda de 1,3 mm, mas o anel brilhante que vimos, formado pela curvatura da luz na gravidade do buraco negro, ainda parecia borrado porque estávamos nos limites absolutos de quão nítidas poderíamos fazer as imagens”, disse o colíder do estudo, Alexander Raymond, anteriormente um pesquisador de pós-doutorado no Centro de Astrofísica | Harvard & Smithsonian (CfA), e agora no Jet Propulsion Laboratory, ambos nos Estados Unidos. “A 0,87 mm, nossas imagens serão mais nítidas e detalhadas, o que por sua vez provavelmente revelará novas propriedades, tanto aquelas que foram previstas anteriormente quanto talvez algumas que não foram.”

Pioneirismo em novas técnicas de observação

Para mostrar que podiam fazer detecções em 0,87 mm, a Colaboração conduziu observações de teste de galáxias distantes e brilhantes neste comprimento de onda.⁽²⁾ Em vez de usar o conjunto EHT completo, eles empregaram dois subconjuntos menores, ambos incluindo o ALMA e o Atacama Pathfinder EXperiment (APEX) no Deserto do Atacama, no Chile. O Observatório Europeu do Sul (ESO) é um parceiro do ALMA e co-hospeda e coopera com o APEX. Outras instalações usadas incluem o telescópio IRAM de 30 metros na Espanha e o NOrthern Extended Millimeter Array (NOEMA) na França, bem como o Telescópio da Groenlândia e o Submillimeter Array no Havaí.

Neste experimento piloto, a Colaboração obteve observações com detalhes tão finos quanto 19 microsegundos de arco, o que significa que eles observaram na mais alta resolução já vista da superfície da Terra. Eles ainda não conseguiram obter imagens: embora tenham feito detecções robustas de luz de várias galáxias distantes, não foram usadas antenas suficientes para conseguir reconstruir com precisão uma imagem a partir dos dados.

Este vídeo de animação mostra as localizações dos observatórios de rádio que participaram de um experimento piloto conduzido pela Event Horizon Telescope (EHT) Collaboration que obteve as observações de mais alta resolução do solo. Crédito: ESO/M. Kornmesser

Perspectivas animadoras para a pesquisa futura sobre buracos negros

Este teste técnico abriu uma nova janela para estudar buracos negros. Com o conjunto completo, o EHT poderia ver detalhes tão pequenos quanto 13 microsegundos de arco, o equivalente a ver uma tampa de garrafa na Lua da Terra. Isso significa que, a 0,87 mm, eles serão capazes de obter imagens com uma resolução cerca de 50% maior do que a do M87* e SgrA* lançados anteriormente⁽³⁾ Imagens de 1,3 mm. Além disso, há potencial para observar buracos negros mais distantes, menores e mais fracos do que os dois que a Colaboração fotografou até agora.

O diretor fundador do EHT, Sheperd “Shep” Doeleman, astrofísico do CfA e colíder do estudo, diz: “Observar as mudanças no gás circundante em diferentes comprimentos de onda nos ajudará a resolver o mistério de como os buracos negros atraem e acumulam matéria, e como eles podem lançar jatos poderosos que fluem por distâncias galácticas.”

Implicações para estudos astrofísicos

Esta é a primeira vez que a técnica VLBI foi usada com sucesso no comprimento de onda de 0,87 mm. Embora a capacidade de observar o céu noturno a 0,87 mm existisse antes das novas detecções, usar a técnica VLBI neste comprimento de onda sempre apresentou desafios que levaram tempo e avanços tecnológicos para serem superados. Por exemplo, o vapor de água na atmosfera absorve ondas a 0,87 mm muito mais do que a 1,3 mm, tornando mais difícil para os radiotelescópios receberem sinais de buracos negros no comprimento de onda mais curto. Combinado com turbulência atmosférica cada vez mais pronunciada e acúmulo de ruído em comprimentos de onda mais curtos, e uma incapacidade de controlar as condições climáticas globais durante observações atmosféricas sensíveis, o progresso para comprimentos de onda mais curtos para VLBI — especialmente aqueles que cruzam a barreira para o regime submilimétrico — tem sido lento. Mas com essas novas detecções, tudo mudou.

“Essas detecções de sinal VLBI em 0,87 mm são inovadoras, pois abrem uma nova janela de observação para o estudo de buracos negros supermassivos”, afirma Thomas Krichbaum, coautor do estudo do Instituto Max Planck de Radioastronomia na Alemanha, uma instituição que opera o telescópio APEX junto com o ESO. Ele acrescenta: “No futuro, a combinação dos telescópios IRAM na Espanha (IRAM-30m) e França (NOEMA) com ALMA e APEX permitirá imagens de emissões ainda menores e mais fracas do que as possíveis até agora em dois comprimentos de onda, 1,3 mm e 0,87 mm, simultaneamente.”

Notas

1. Houve observações astronômicas com maior resolução, mas estas foram obtidas pela combinação de sinais de telescópios no solo com um telescópio no espaço: https://www.mpifr-bonn.mpg.de/pressreleases/2022/2. As novas observações divulgadas hoje são as de mais alta resolução já obtidas usando apenas telescópios terrestres.
2. Para testar suas observações, a Colaboração EHT apontou as antenas para galáxias ‘ativas’ muito distantes, que são alimentadas por buracos negros supermassivos em seus núcleos e são muito brilhantes. Esses tipos de fontes ajudam a calibrar as observações antes de apontar o EHT para fontes mais fracas, como buracos negros próximos.
3. O instrumento GRAVITY do ESO Telescópio muito grande O interferômetro também obteve observações extremamente detalhadas de Sgr A*, identificando a localização exata do buraco negro e do material que o orbita com uma precisão de alguns décimos de microsegundos de arco.

Referência: “First Very Long Baseline Interferometry Detections at 870 μm” por AW Raymond, S. Doeleman, et al., 27 de agosto de 2024, O Jornal Astronômico.
DOI: 10.3847/1538-3881/ad5bdb