Simulaciones desentrañan secretos "Flashy" de la fusión de agujeros negros
Según Einstein, cuando objetos masivos interactuar, producen ondas gravitatorias - distorsiones en el tejido del espacio y el tiempo - que dominó hacia el exterior a través del universo a la velocidad de la luz. Aunque los astrónomos han encontrado pruebas indirectas de estas perturbaciones, las olas han eludido hasta ahora la detección directa. Observatorios basados en tierra diseñados para encontrarlos están a punto de lograr una mayor sensibilidad, y muchos científicos creen que este descubrimiento se encuentra a pocos años de distancia.
La captura de ondas gravitacionales de algunas de las fuentes más fuertes - colisión de agujeros negros de millones de veces la masa del Sol - se llevará un poco más. Estas ondas ondulan tan lentamente que no serán detectables por las instalaciones en tierra. En cambio, los científicos necesitarán instrumentos basados en el espacio mucho más grandes, como la propuesta de Antena Espacial de Interferómetro Láser, que fue aprobado como un proyecto de alta prioridad el futuro de la comunidad astronómica.
Un equipo que incluye a los astrofísicos en el Goddard Space Flight Center de la NASA en Greenbelt, Maryland, está a la espera de ese día, mediante el uso de modelos computacionales para explorar las fusiones de agujeros negros supergrandes. Su trabajo más reciente se investiga qué tipo de "flash" puede ser visto por los telescopios de los astrónomos cuando finalmente encuentran señales gravitacionales de tal evento.
Modelos Supercomputadora de la fusión de agujeros negros revelan propiedades que son cruciales para la comprensión de las futuras detecciones de las ondas gravitacionales. Esta película sigue a dos agujeros negros en órbita y su disco de acreción durante sus últimos tres órbitas y la fusión final. Colores Redder corresponden a densidades más altas de gas (Crédito: Goddard Space Flight Center de la NASA, P. Cowperthwaite de la Universidad de Maryland).
El estudio de las ondas gravitacionales dará astrofísicos una oportunidad sin precedentes para presenciar fenómenos más extremos del universo, dando lugar a nuevos conocimientos sobre las leyes fundamentales de la física, la muerte de las estrellas, el nacimiento de los agujeros negros y, tal vez, los primeros momentos del universo.
Un agujero negro es un objeto tan grande que nada, ni siquiera la luz, puede escapar a su control gravitacional. La mayoría de las grandes galaxias, incluyendo nuestra propia Vía Láctea, contiene un agujero negro central pesa millones de veces la masa del Sol, y cuando dos galaxias colisionan, sus monstruosos agujeros negros se asientan en un sistema binario cerrado.
"Los agujeros negros orbitan entre sí y pierden energía orbital emitiendo fuertes ondas gravitatorias, y esto hace que sus órbitas se encojan. Los agujeros negro espiral hacia la otra y finalmente se fusionan", dijo Goddard astrofísico John Baker.
Cerca de estos titánica, moviéndose rápidamente masas, el espacio y el tiempo, convertirse en flexión repetida y deformado. Así como una perturbación forma ondulaciones en la superficie de un estanque, conduce las ondas sísmicas a través de la Tierra, o pone el agitan en un tazón de gelatina, la flexión cíclica del espacio-tiempo cerca de los agujeros negros binarios produce ondas de distorsión que la raza a través de la universo.
Mientras que las ondas gravitacionales prometen contar astrónomos muchas cosas sobre los organismos que los han creado, no pueden proporcionar una pieza crucial de información - la posición exacta de la fuente. Así que para entender realmente un evento de fusión, los investigadores necesitan una señal de acompañamiento electromagnética - un destello de luz, que van desde las ondas de radio hasta los rayos X - que permitirá telescopios para localizar galaxia anfitriona de la fusión.
Comprender las contrapartes electromagnéticas que pueden acompañar a una fusión implica la difícil tarea de seguimiento de las complejas interacciones entre los agujeros negros, que pueden estar moviéndose a más de la mitad de la velocidad de la luz en las últimas órbitas, y los discos de, gas magnetizado caliente que rodearlos. Desde 2010, numerosos estudios utilizando supuestos simplificadores han encontrado que las fusiones se producirá un estallido de luz, pero nadie sabía qué frecuencia ocurrió esto o si la emisión sería lo suficientemente fuerte como para ser detectable desde la Tierra.
Para estudiar el problema con más detalle, un equipo dirigido por Bruno Giacomazzo en la Universidad de Colorado, Boulder, e incluyendo panadero simulaciones por ordenador desarrollados que, por primera vez que se muestran lo que sucede en el gas magnetizado (también llamado plasma) en las últimas etapas de la fusión del agujero negro. Su estudio fue publicado en la edición de The Astrophysical Journal Letters 10 de junio.
Las simulaciones siguen las complejas interacciones eléctricas y magnéticas en el gas ionizado - conocido como magnetohidrodinámica - dentro del entorno gravitacional extrema determinado por las ecuaciones de la relatividad general de Einstein, una tarea que requiere el uso de códigos numéricos avanzados y superordenadores rápidas.
Ambas simulaciones reportadas en el estudio se ejecutan en el superordenador Pleiades en el Centro de Investigación Ames de la NASA en Moffett Field, California Siguen los agujeros negros en sus últimos tres órbitas y posterior fusión con modelos con y sin un campo magnético en el gas disco.
Simulaciones adicionales se llevaron a cabo en el Ranger y Discover supercomputadores, ubicados respectivamente en la Universidad de Texas, Austin, y el Centro de la NASA para la simulación del Clima en el Centro Goddard, con el fin de investigar los efectos de diferentes condiciones iniciales, un menor número de órbitas y otras variaciones.
"Lo que llama la atención en la simulación magnética es que el campo magnético inicial del disco se intensificó rápidamente por alrededor de 100 veces, y el agujero negro resultante de la fusión está rodeado por una, más delgado disco de acreción caliente más denso que en el caso no magnetizado", explicó Giacomazzo.
En el entorno turbulento cerca de los agujeros negros que se fusionen, el campo magnético se intensifica a medida que se tuerce y se comprime. El equipo sugiere que la ejecución de la simulación de órbitas adicionales daría lugar a una mayor amplificación.
El resultado más interesante de la simulación magnética es el desarrollo de un embudo-como la estructura - una zona despejada de salida que se extiende por fuera del disco de acreción alrededor del agujero negro resultante de la fusión. "Este es exactamente el tipo de estructura necesaria para impulsar los chorros de partículas que vemos en los centros de galaxias activas agujero negro de propulsión", dijo Giacomazzo.
El aspecto más importante de este estudio es el brillo del flash de la fusión. El equipo concluye que el modelo magnético produce emisiones vigas que es unas 10.000 veces más brillante que las observadas en estudios anteriores, que dio el paso simplificando de ignorar los efectos de plasma en los discos que se fusionan.
"Necesitamos que las ondas gravitacionales para confirmar que se ha producido una fusión del agujero negro, pero si podemos entender las firmas electromagnéticas de fusiones suficientemente bien, tal vez podamos buscar eventos candidatos incluso antes de que tengamos un observatorio de ondas gravitatorias desde el espacio", dijo Baker .