Potente chorro de M87 desata una extraordinaria explosión de rayos gamma

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La Colaboración internacional multiinstrumental Event Horizon Telescope (EHT) revela nuevas observaciones de una espectacular llamarada de rayos gamma procedente del poderoso chorro relativista que emana del centro de la galaxia M87* en múltiples longitudes de onda, lo que potencialmente conduce a una mejor comprensión de cómo y dónde se aceleran las partículas en este tipo de chorros.

Imágenes compuestas de M87 superpuestas a un gráfico de curva de luz de la llamarada de rayos gamma. Curva de luz de la llamarada de rayos gamma (abajo) y colección de imágenes cuasi simuladas del chorro M87 (arriba) a varias escalas obtenidas en radio y rayos X durante la campaña de 2018. El instrumento, el rango de observación de longitud de onda y la escala se muestran en la parte superior izquierda de cada imagen. Crédito de la imagen: EHT Collaboration, Fermi-LAT Collaboration, H.E.S.S. Collaboration, MAGIC Collaboration, VERITAS Collaboration, EAVN Collaboration

También conocido como Virgo A o NGC 4486, M87 es el objeto más brillante del cúmulo de galaxias de Virgo, el tipo de estructura gravitacionalmente más grande del universo. Saltó a la fama en abril de 2019 después de que científicos del EHT publicaran la primera imagen de un agujero negro en su centro. Un estudio publicado en Astronomy and Astrophysics Journal, dirigido por el grupo de trabajo de longitudes de onda múltiples del EHT, presenta los datos de la segunda campaña de observación del EHT realizada en abril de 2018, en la que participaron más de 25 telescopios terrestres y orbitales. Los autores informaron de la primera observación de una llamarada de rayos gamma de alta energía, en más de una década, desde el agujero negro supermasivo M87, basándose en espectros casi simultáneos de la galaxia que abarcan el rango de longitudes de onda más amplio jamás recopilado.

“Tuvimos la suerte de detectar una llamarada de rayos gamma procedente de M87 durante la campaña de múltiples longitudes de onda del Event Horizon Telescope. Se trata del primer evento de llamarada de rayos gamma observado en esta fuente en más de una década, lo que nos permite delimitar con precisión el tamaño de la región responsable de la emisión de rayos gamma observada. Las observaciones, tanto las recientes con un conjunto de EHT más sensible como las planificadas para los próximos años, proporcionarán información valiosa y una oportunidad extraordinaria para estudiar la física que rodea al agujero negro supermasivo de M87. Estos esfuerzos prometen arrojar luz sobre la conexión entre el disco y el chorro y descubrir los orígenes y mecanismos detrás de la emisión de fotones de rayos gamma”, afirmó Giacomo Principe, uno de los coordinadores del artículo, investigador de la Universidad de Trieste asociado con el INAF y el INFN. El artículo fue aceptado para su publicación en Astronomy & Astrophysics.

El chorro relativista examinado por los investigadores es sorprendente en su extensión, alcanzando tamaños que exceden el horizonte de sucesos del agujero negro en decenas de millones de veces (7 órdenes de magnitud), similar a la diferencia entre el tamaño de una bacteria y la ballena azul más grande conocida.

La llamarada energética, que duró aproximadamente tres días y sugiere una región de emisión de tamaño inferior a tres días luz (~170 UA, donde 1 Unidad Astronómica es la distancia del Sol a la Tierra), reveló un estallido brillante de emisión de alta energía, muy por encima de las energías que suelen detectar los radiotelescopios de la región donde se halla el agujero negro.

“La actividad de este agujero negro supermasivo es muy impredecible. Es difícil predecir cuándo se producirá una llamarada. Los datos contrastantes obtenidos en 2017 y 2018, que representan sus fases de reposo y actividad respectivamente, proporcionan información crucial para desentrañar el ciclo de actividad de este enigmático agujero negro”, afirmó Kazuhiro Hada de la Universidad de la Ciudad de Nagoya, quien dirigió las observaciones de radio y el análisis de la campaña de múltiples longitudes de onda.

“La duración de una llamarada corresponde aproximadamente al tamaño de la región de emisión. La rápida variabilidad de los rayos gamma indica que la región de la llamarada es extremadamente pequeña, sólo aproximadamente diez veces el tamaño del agujero negro central. Curiosamente, la marcada variabilidad observada en los rayos gamma no se detectó en otras longitudes de onda. Esto sugiere que la región de la llamarada tiene una estructura compleja y exhibe características diferentes dependiendo de la longitud de onda”, explicó Daniel Mazin del Instituto de Investigación de Rayos Cósmicos de la Universidad de Tokio, miembro del equipo del telescopio MAGIC que detectó la llamarada de rayos gamma.

La segunda campaña de longitudes de onda múltiples de EHT en 2018 aprovechó más de dos docenas de instalaciones de observación de alto perfil, incluidos los telescopios Fermi-LAT, HST, NuSTAR, Chandra y Swift de la NASA, junto con los tres conjuntos de telescopios de imágenes atmosféricas Cherenkov más grandes del mundo (H.E.S.S., MAGIC y VERITAS). Estos observatorios son sensibles a los fotones de rayos X, así como a los rayos gamma de alta energía y de muy alta energía (VHE), respectivamente. Durante la campaña, el instrumento LAT a bordo del observatorio espacial Fermi detectó un aumento en el flujo de rayos gamma de alta energía con energías hasta miles de millones de veces mayores que la luz visible. Chandra y NuSTAR luego recopilaron datos de alta calidad en la banda de rayos X. Las observaciones de radio de la East Asian VLBI Network (EAVN) muestran un cambio anual aparente en el ángulo de posición del chorro dentro de unos pocos microsegundos de arco desde el núcleo de la galaxia.

“Al combinar la información sobre el cambio en la dirección del chorro, la distribución del brillo del anillo observado por el EHT y la actividad de rayos gamma, podemos entender mejor los mecanismos detrás de la producción de la radiación de muy alta energía”, dijo Motoki Kino de la Universidad Kogakuin, coordinador de las observaciones de EAVN durante la campaña.

Los datos también muestran una variación significativa en el ángulo de posición de la asimetría del anillo (el llamado horizonte de sucesos del agujero negro) y la posición del chorro, lo que sugiere una relación física entre estas estructuras a escalas muy diferentes. El investigador explicó que “en la primera imagen obtenida durante la campaña de observación de 2018, se vio que la emisión a lo largo del anillo no era homogénea, presentando así asimetrías (es decir, áreas más brillantes). Observaciones posteriores realizadas en 2018 y relacionadas con este trabajo confirmaron los datos, destacando que el ángulo de posición de la asimetría había cambiado”.

El equipo también comparó los espectros de múltiples longitudes de onda de banda ancha observados con modelos de emisión teóricos. “La llamarada de 2018 exhibió un brillo particularmente fuerte en rayos gamma. Es posible que las partículas de energía ultraalta experimentaran una aceleración adicional dentro de la misma región de emisión observada en estados tranquilos, o que se produjera una nueva aceleración en una región de emisión diferente”, dijo Tomohisa Kawashima del Instituto de Investigación de Rayos Cósmicos, quien realizó una simulación utilizando una supercomputadora instalada en el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ).

“Cómo y dónde se aceleran las partículas en los chorros de los agujeros negros supermasivos es un misterio de larga data. Por primera vez, podemos combinar imágenes directas de las regiones cercanas al horizonte de eventos durante las llamaradas de rayos gamma de los eventos de aceleración de partículas y probar teorías sobre los orígenes de las llamaradas”, dijo Sera Markoff, profesora de la Universidad de Ámsterdam y coautora del estudio.

Este descubrimiento, señaló el equipo de la investigación, abre el camino para estimular futuras investigaciones y posibles avances en nuestra comprensión del universo.

El paper Broadband Multi-wavelength Properties of M87 During the 2018 Event Horizon Telescope Campaign including a Very-High-Energy Gamma-ray Episode, fue publicado en Astronomy and Astrophysics
Financió MEXT-KAKENHI, Programa para la Promoción de Investigaciones sobre el Superordenador Fugaku, Proyecto de Investigación del Sistema HPCI (Infraestructura de Computación de Alto Rendimiento) - MEXT-KAKENHI, Program for Promoting Researches on the Supercomputer Fugaku, HPCI (High-performance computing infrastructure) System Research Project
El artículo M87’s Powerful Jet Unleashes Rare Gamma-ray Outburst, fue publicado en el sitio de la Nagoya City University

English version
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M87’s powerful jet unleashes rare gamma-ray outburst
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The international multi-instrument Event Horizon Telescope Collaboration (EHT) reveals new observations of a spectacular gamma-ray flare from the powerful relativistic jet emanating from the center of the M87 galaxy at multiple wavelengths, potentially leading to a better understanding of how and where particles are accelerated in these kinds of jets.

Also known as Virgo A or NGC 4486, M87 is the brightest object in the Virgo cluster of galaxies, the largest gravitationally bound type of structure in the universe. It came to fame in April 2019 after scientists from EHT released the first image of a black hole in its center. Led by the EHT multi wavelength working group, a study published in Astronomy and Astrophysics Journal presents the data from the second EHT observational campaign conducted in April 2018, involving over 25 terrestrial and orbital telescopes. The authors report the first observation of a high-energy gamma-ray flare in over a decade from the supermassive black hole M87, based on nearly simultaneous spectra of the galaxy spanning the broadest wavelength range ever collected.

Composite M87 images overlaid on a light curve plot of the gamma-ray flare. Light curve of the gamma-ray flare (bottom) and collection of quasi-simulated images of the M87 jet (top) at various scales obtained in radio and X-ray during the 2018 campaign. The instrument, the wavelength observation range and scale are shown at the top left of each image. Credit: EHT Collaboration, Fermi-LAT Collaboration, H.E.S.S. Collaboration, MAGIC Collaboration, VERITAS Collaboration, EAVN Collaboration

“We were lucky to detect a gamma-ray flare from M87 during this Event Horizon Telescope’s multi-wavelength campaign. This marks the first gamma-ray flaring event observed in this source in over a decade, allowing us to precisely constrain the size of the region responsible for the observed gamma-ray emission. Observations—both recent ones with a more sensitive EHT array and those planned for the coming years—will provide invaluable insights and an extraordinary opportunity to study the physics surrounding M87’s supermassive black hole. These efforts promise to shed light on the disk-jet connection and uncover the origins and mechanisms behind the gamma-ray photon emission” says Giacomo Principe, one of the paper coordinators, a researcher at the University of Trieste associated with INAF and INFN. The article has been accepted for publication in Astronomy & Astrophysics.

The relativistic jet examined by the researchers is surprising in its extent, reaching sizes that exceed the black hole’s event horizon by tens of millions of times (7 orders of magnitude) - akin to the difference between the size of a bacterium and the largest known blue whale.

The energetic flare, which lasted approximately three days and suggests an emission region of less than three light-days in size (~170 AU, where 1 Astronomical Unit is the distance from the Sun to Earth), revealed a bright burst of high-energy emission—well above the energies typically detected by radio telescopes from the black hole region.

“The activity of this supermassive black hole is highly unpredictable – It is hard to forecast when a flare will occur. The contrasting data obtained in 2017 and 2018, representing its quiescent and active phases respectively, provide crucial insights into unraveling the activity cycle of this enigmatic black hole”, said Kazuhiro Hada at Nagoya City University, who led radio observations and analysis of the multi-wavelength campaign.

“The duration of a flare roughly corresponds to the size of the emission region. The rapid variability in gamma rays indicates that the flare region is extremely small, only approximately ten times the size of the central black hole. Interestingly, the sharp variability observed in gamma rays was not detected in other wavelengths. This suggests that the flare region has a complex structure and exhibits different characteristics depending on the wavelength” explained Daniel Mazin at the Institute for Cosmic Ray Research, the University of Tokyo, a member of the MAGIC telescope team that detected the gamma ray flare.

All the involved multi-wavelength facilities. The observatories and telescopes that participated in the 2018 multiband campaign to detect the high-energy gamma-ray flare from the M87 black hole. Credit: EHT Collaboration, Fermi-LAT Collaboration, H.E.S.S. Collaboration, MAGIC Collaboration, VERITAS Collaboration, EAVN Collaboration*

The second EHT and multi-wavelength campaign in 2018 leveraged more than two dozen high-profile observational facilities, including NASA’s Fermi-LAT, HST, NuSTAR, Chandra, and Swift telescopes, together with the world’s three largest Imaging Atmospheric Cherenkov Telescope arrays (H.E.S.S., MAGIC and VERITAS). These observatories are sensitive to X-ray photons as well as high-energy very-high-energy (VHE) gamma-rays, respectively. During the campaign, the LAT instrument aboard the Fermi space observatory detected an increase in high-energy gamma-ray flux with energies up to billions of times greater than visible light. Chandra and NuSTAR then collected high-quality data in the X-ray band. The East Asian VLBI Network (EAVN) radio observations show an apparent annual change in the jet’s position angle within a few microseconds of arc from the galaxy’s core.

“By combining the information about the change in the jet direction, the brightness distribution of the ring observed by the EHT and the gamma-ray activity, we can better understand the mechanisms behind the production of the very-high-energy radiation”, Motoki Kino said, at Kogakuin University, a coordinator of the EAVN observations during the campaign.

Data also show a significant variation in the position angle of the asymmetry of the ring (the so-called event horizon of the black hole) and the jet’s position, suggesting a physical relation between these structures on very different scales. The researcher explained that “in the first image obtained during the 2018 observational campaign, it was seen that the emission along the ring was not homogeneous, thus presenting asymmetries (i.e., brighter areas). Subsequent observations conducted in 2018 and related to this paper confirmed the data, highlighting that the asymmetry’s position angle had changed.”

The team also compared the observed broadband multi-wavelength spectra with theoretical emission models. “The flare in 2018 exhibited particularly strong brightening in gamma rays. It is possible that ultra-high-energy particles underwent additional acceleration within the same emission region observed in quiet states, or that new acceleration occurred in a different emission region.” said Tomohisa Kawashima at the Institute for Cosmic Ray Research, who performed a simulation using a supercomputer installed at the National Astronomical Observatory of Japan.

“How and where particles are accelerated in supermassive black hole jets is a longstanding mystery. For the first time, we can combine direct imaging of the near event horizon regions during gamma-ray flares from particle acceleration events and test theories about the flare origins,” said Sera Markoff, a professor at the University of Amsterdam and co-author of the study.

This discovery paves the way for stimulating future research and potential breakthroughs in understanding the universe.

The paper Broadband Multi-wavelength Properties of M87 During the 2018 Event Horizon Telescope Campaign including a Very-High-Energy Gamma-ray Episode, was published on Astronomy and Astrophysics
Founder: MEXT-KAKENHI, Program for Promoting Researches on the Supercomputer Fugaku, HPCI (High-performance computing infrastructure) System Research Project
The article M87’s Powerful Jet Unleashes Rare Gamma-ray Outburst, was publised on Nagoya City University’s site