Probing jet base emission of M87* with the 2021 Event Horizon Telescope observations

Sintesi Tecnica: Sonda dell'emissione alla base del jet di M87 con le osservazioni dell'Event Horizon Telescope del 2021*

Problema
Le precedenti osservazioni dell'Event Horizon Telescope (EHT) di M87* nel 2017 e 2018 hanno risolto con successo la struttura compatta ad anello (l'ombra del buco nero) a 230 GHz. Tuttavia, questi dataset hanno sofferto di un problema di "flusso mancante", in cui la densità di flusso totale misurata su baseline triviali (co-locate, ad esempio ALMA/APEX, JCMT/SMA) era significativamente più alta, circa 1,0–1,4 Jy, rispetto ai ~0,5–1,0 Jy recuperati dai modelli compatti limitati all'anello. Questa discrepanza suggeriva la presenza di emissione estesa su scale spaziali ampie, probabilmente associata alla base del jet. Gli array del 2017 e del 2018 mancavano delle necessarie baseline di lunghezza corta e intermedia per vincolare o mappare questa struttura estesa, portando a degenerazioni irrisolte nella ricostruzione della base del jet.

Metodologia
Questo studio sfrutta la copertura $(u, v)$ significativamente potenziata della campagna di osservazione EHT del 2021, specificamente l'integrazione del telescopio da 12 m Kitt Peak (KP) (USA) e dell'array NOEMA (Francia). Queste nuove stazioni hanno introdotto due critiche baseline di lunghezza intermedia:

1. PV-NOEMA: 1100 km, sensibile a scale spaziali di ~250 $\mu$as (0,02 pc).
2. SMT-KP: 100 km, sensibile a scale spaziali di ~2500 $\mu$as (0,2 pc).

A causa della scarsità di queste baseline intermedie, l'imaging diretto della debole ed estesa base del jet non è robusto. Inve al, gli autori utilizzano un approccio di model-fitting geometrico utilizzando le fasi di chiusura (closure phases). Le fasi di chiusura sono robuste rispetto agli errori di calibrazione del guadagno della stazione e sono sensibili alle asimmetrie nella distribuzione della luminosità. L'analisi si concentra sui triangoli di chiusura formati dalla stazione altamente sensibile ALMA (ALMA-PV-NOEMA e ALMA-SMT-KP).

Gli autori confrontano le fasi di chiusura osservate con modelli composti da:

• Un componente ad anello compatto (ricostruito tramite DoG-HIT e altri algoritmi).
• Un componente aggiuntivo, una debole gaussiana con offset, che rappresenta l'emissione della base del jet.

I parametri del modello (posizione, densità di flusso e larghezza a metà massimo - FWHM) sono ottimizzati utilizzando il campionamento Markov Chain Monte Carlo (MCMC) per minimizzare i residui del $\chi^2_\nu$ ridotto tra le fasi di chiusura osservate e il modello. Modelli alternativi, inclusi gaussiane asimmetriche, gaussiane doppie e strutture del jet derivate da GMVA, sono stati testati.

Risultati Chiave

• Rilevamento dei Residui: I modelli compatti limitati all'anello non riescono a riprodurre completamente le fasi di chiusura osservate sui triangoli ALMA-PV-NOEMA e ALMA-SMT-KP, mostrando residui significativi (un "bump" e un "offset" di alcuni gradi).
• Fit del Componente Gaussiano: L'introduzione di un singolo componente gaussiano con offset migliora significativamente il fit. Il modello ottimale colloca un debole componente gaussiano a una separazione proiettata di $\approx 5500$ AU (centrato a $\Delta$R.A. $\approx 320$ $\mu$as, $\Delta$Dec. $\approx 60$ $\mu$as, rispetto al centro dell'anello) con una densità di flusso stimata di ~60 mJy e una dimensione (FWHM) di ~180 $\mu$as.
• Miglioramento Statistico: L'inclusione di questo componente riduce il $\chi^2_\nu$ per il triangolo ALMA-PV-NOEMA da 2,73 a 1,29 e per il triangolo ALMA-SMT-KP da 2,52 a 1,12. Il fit globale attraverso tutti i triangoli migliora da 1,50 a 1,39.
• Vincoli del Modello: Modelli più complessi (gaussiane asimmetriche o un secondo componente gaussiano) non forniscono un miglioramento statisticamente significativo rispetto al modello a singola gaussiana. I dati non favoriscono un'emissione più brillante a queste scale; un componente significativamente più brillante produrrebbe residui più grandi di quelli osservati.
• Consistenza Fisica: La posizione della gaussiana recuperata si allinea con il braccio meridionale/sud-occidentale dell'emissione del jet con bordo brillante osservata nelle immagini GMVA a 86 GHz, coerentemente con la direzione attesa del jet su larga scala.
• Impatto sui Dati Precedenti: Lo studio conferma che questo debole componente sarebbe stato indistruttibile nei dati del 2017 e 2018 a causa della mancanza di baseline intermedie, validando la robustezza delle precedenti ricostruzioni dell'anello per tali epoche.

Significato e Rivendicazioni
L'articolo sostiene di fornire i primi vincoli a 230 GHz su emissioni deboli e asimmetriche a scale intermedie vicino a M87*. Il contributo primario è l'identificazione di un plausibile componente della base del jet che spiega una parte del precedentemente inspiegato "flusso mancante".

Tuttavia, gli autori mantengono una posizione modesta e conservativa riguardo alla natura definitiva di questo rilevamento:

1. Limitazioni Morfologiche: A causa del numero limitato di baseline intermedie (solo due), gli autori non possono ricostruire in modo robusto la morfologia dettagliata della base del jet. La gaussiana recuperata è trattata come un limite superiore sulla densità di flusso della base del jet risolta a queste specifiche scale spaziali.
2. Incertezze Sistematiche: Sebbene la polarizzazione di leakage e altri sistemi noti siano stati esclusi come fonte del segnale, gli autori riconoscono che errori sistematici ignoti non possono essere interamente esclusi data la dipendenza da misurazioni a singola baseline/piccoli triangoli.
3. Requisiti Futuri: Il lavoro conclude che la conferma definitiva e i vincoli di maggiore precisione sulla struttura e la natura della base del jet richiederanno future osservazioni EHT con una copertura espansa delle baseline intermedie (più stazioni) e potenzialmente intervalli di frequenza ampliati.

In sintesi, il lavoro dimostra che i dati EHT del 2021 rivelano evidenza di un debole componente di emissione con offset verso sud-ovest, coerente con la base del jet, ma la densità attuale dei dati limita la capacità di risolvere completamente la sua struttura, rendendo necessarie osservazioni future per una completa caratterizzazione fisica.