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Los astrónomos descubren cómo los agujeros negros pueden explotar los chorros relativistas de material en los años luz del espacio
Impresión del artista del chorro relativista que emana de un agujero negro. Crédito de la imagen: Northwestern University
Por Matt Williams para Universe Today • Enero 12 de 2018
Los agujeros negros han sido una fuente inagotable de fascinación desde que la Teoría de la Relatividad General de Einstein predijo su existencia. En los últimos 100 años, el estudio de los agujeros negros ha avanzado considerablemente, pero el asombro y el misterio de estos objetos permanecen. Por ejemplo, los científicos han observado que, en algunos casos, los agujeros negros tienen enormes chorros de partículas cargadas que emanan de ellos y que se extienden durante millones de años luz.
Estos "chorros relativistas ", llamados así porque propulsan partículas cargadas a una fracción de la velocidad de la luz, han desconcertado a los astrónomos durante años. Pero gracias a un estudio reciente realizado por un equipo internacional de investigadores, se ha obtenido una nueva visión de estos chorros. De acuerdo con la Relatividad General, los investigadores demostraron que estos chorros gradualmente precesan (es decir, cambian de dirección) como resultado del espacio-tiempo que se arrastra hacia la rotación del agujero negro.
Su estudio, titulado " Formación de Jets de Precesión por Tilted Black Hole Discs en 3D Relativistic MHD Simulations ", apareció recientemente en los Avisos Mensuales de la Royal Astronomical Society. El equipo estaba compuesto por miembros del Instituto de Astronomía Anton Pannekoek de la Universidad de Ámsterdam y un profesor del Centro de Exploración Interdisciplinaria e Investigación en Astrofísica (CIERA) en la Universidad Northwestern.
Por el bien de su estudio, el equipo realizó simulaciones utilizando el supercomputador Blue Waters en la Universidad de Illinois. Las simulaciones que llevaron a cabo fueron las primeras en modelar el comportamiento de los chorros relativistas procedentes de agujeros negros supermasivos (SMBH). Con cerca de mil millones de células computacionales, también fue la simulación de mayor resolución de un agujero negro de acreción que se haya logrado.
Como explicó Alexander Tchekhovskoy, profesor asistente de física y astronomía en la Facultad de Artes y Ciencias Weinberg de Northwestern, en un reciente comunicado de prensa de Northwestern Now:
"Comprender cómo los agujeros negros giratorios arrastran el espacio-tiempo a su alrededor y cómo este proceso afecta lo que vemos a través de los telescopios sigue siendo un enigma crucial y difícil de descifrar". Afortunadamente, los avances en el desarrollo de código y los saltos en la arquitectura de supercomputación nos están acercando cada vez más a encontrar las respuestas ".
Al igual que todos los agujeros negros supermasivos, los SMBH que giran rápidamente engullen (también acrecionan) la materia. Sin embargo, los agujeros negros que giran rápidamente también son conocidos por la forma en que emiten energía en forma de chorros relativistas. La materia que alimenta estos agujeros negros forma un disco giratorio a su alrededor, también conocido como. un disco de acreción, que se caracteriza por gas caliente, energizado y líneas de campo magnético.
Es la presencia de estas líneas de campo lo que permite que los agujeros negros impulsen la energía en forma de estos chorros. Debido a que estos aviones son tan grandes, son más fáciles de estudiar que los propios agujeros negros. Al hacerlo, los astrónomos pueden entender qué tan rápido cambia la dirección de estos chorros, lo que revela cosas sobre la rotación de los mismos, como la orientación y el tamaño de sus discos giratorios.
Las simulaciones informáticas avanzadas son necesarias cuando se trata del estudio de los agujeros negros, en gran parte porque no son observables a la luz visible y suelen estar muy lejos. Por ejemplo, el SMBH más cercano a la Tierra es Sagitario A *, que se encuentra a unos 26 000 años luz de distancia en el centro de nuestra galaxia. Como tal, las simulaciones son la única forma de determinar cómo funciona un sistema altamente complejo como un agujero negro.
En simulaciones previas, los científicos operaron bajo la suposición de que los discos de agujeros negros estaban alineados. Sin embargo, se ha descubierto que la mayoría de los SMBH tienen discos inclinados, es decir, los discos giran alrededor de un eje distinto del agujero negro. Este estudio fue por lo tanto seminal en que mostró cómo los discos pueden cambiar de dirección en relación con su agujero negro, lo que lleva a los chorros de precesión que cambian periódicamente su dirección.
Esto era desconocido anteriormente debido a la increíble cantidad de poder de cómputo que se necesita para construir simulaciones tridimensionales de la región que rodea un agujero negro que gira rápidamente. Con el apoyo de una subvención de la National Science Foundation (NSF), el equipo pudo lograr esto mediante el uso de Blue Waters, una de las supercomputadoras más grandes del mundo.
Detección de una llamarada de rayos X inusualmente brillante de Sagittarius A *, un agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia de la Vía Láctea. Crédito de la imagen: NASA / CXC / Stanford / I. Zhuravleva et al.
Con esta supercomputadora a su disposición, el equipo pudo construir el primer código de simulación de agujero negro, que aceleraron utilizando unidades de procesamiento gráfico (GPU). Gracias a esta combinación, el equipo pudo llevar a cabo simulaciones que tenían el mayor nivel de resolución jamás alcanzado, es decir, cerca de mil millones de células computacionales. Como Tchekhovskoy explicó:
"La alta resolución nos permitió, por primera vez, garantizar que los movimientos de los discos turbulentos a pequeña escala se capten con precisión en nuestros modelos. Para nuestra sorpresa, estos movimientos resultaron ser tan fuertes que hicieron que el disco se engrosara y la precesión del disco se detuviera. Esto sugiere que la precesión puede producirse en estallidos ".
La precesión de los chorros relativistas podría explicar por qué se han observado fluctuaciones de luz provenientes de agujeros negros alrededor del pasado, que se conocen como oscilaciones cuasi periódicas (QPO). Estos haces, que fueron descubiertos por primera vez por Michiel van der Klis (uno de los coautores del estudio), operan de forma muy parecida a los haces de un quasar, que parecen tener un efecto estroboscópico.
Este estudio es uno de los muchos que se están realizando en la rotación de agujeros negros en todo el mundo, cuyo objetivo es obtener una mejor comprensión de los descubrimientos recientes, como las ondas gravitacionales, que son causadas por la fusión de los agujeros negros. Estos estudios también se están aplicando a las observaciones del Telescopio de eventos Horizon, que capturó las primeras imágenes de la sombra de Sagittarius A *. Lo que revelarán seguramente entusiasmará y asombrará, y potencialmente profundizará el misterio de los agujeros negros.
En el siglo pasado, el estudio de los agujeros negros ha avanzado considerablemente, desde los estudios puramente teóricos hasta los estudios indirectos de los efectos que tienen sobre la materia circundante, hasta el estudio de las propias ondas gravitacionales. Tal vez algún día, en realidad podamos estudiarlos directamente o (si no es demasiado esperar) ¡mirar directamente dentro de ellos!
Lectura adicional: Northwestern Now, MNRAS
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