Piense en un agujero negro y podría imaginarse un agujero oscuro literal, pero contrariamente a lo esperado, estos misteriosos fenómenos se encuentran entre los objetos más brillantes del universo.
Ahora, los astrofísicos computacionales que escriben en The Astrophysical Journal han creado simulaciones que capturan la magnificencia de este espectáculo de luces celestiales con una precisión sin precedentes.
“Esta es la primera vez que hemos podido ver lo que sucede cuando los procesos físicos más importantes en la acreción de agujeros negros se incluyen con precisión”, dijo en un comunicado Lizhong Zhang, autora principal del estudio e investigadora en el Instituto Flatiron de la Fundación Simons en la ciudad de Nueva York. “Cualquier suposición demasiado simplificadora puede cambiar completamente el resultado”.
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Un centro negro rodeado por un halo de luz
El nombre “agujero negro” es engañoso. Los agujeros negros no son agujeros, sino objetos increíblemente densos que contienen una alta concentración de materia en una cantidad relativamente pequeña de espacio y una atracción gravitacional tan poderosa que ni siquiera la luz puede escapar del horizonte de sucesos, según la NASA.
Están rodeados por un disco de acreción de gas y polvo que se ha enredado en sus órbitas. A diferencia del agujero negro del centro, estos discos son increíblemente brillantes y giran rápidamente, lo que hace que las partículas de gas y polvo brillen con una intensidad feroz.
En un nuevo estudio, un equipo de científicos del Instituto Flatiron y del Instituto de Estudios Avanzados utilizó supercomputadoras y la teoría de la relatividad general de Einstein para determinar el comportamiento del material que orbita agujeros negros con mucha mayor precisión que los modelos anteriores.
“Lo más emocionante es que nuestras simulaciones ahora reproducen comportamientos notablemente consistentes en los sistemas de agujeros negros vistos en el cielo, desde fuentes de rayos X ultraluminosos hasta binarios de rayos X. En cierto sentido, hemos logrado ‘observar’ estos sistemas no a través de un telescopio, sino a través de una computadora”, dijo Zhang.
Incorporando la teoría de la relatividad general de Einstein
Intentos anteriores han simplificado demasiado el proceso utilizando “aproximaciones que tratan la radiación como una especie de fluido”, dijo Zhang, “que no refleja su comportamiento real”.
En cambio, Zhang y su equipo incorporaron la teoría de la relatividad general de Einstein, que explica cómo los grandes cuerpos celestes pueden deformar el tejido del espacio-tiempo. Esto, a su vez, influye en el movimiento y el comportamiento de la luz creada por el polvo y las partículas que orbitan alrededor del agujero negro.
“El nuestro es el único algoritmo que existe en este momento que proporciona una solución al tratar la radiación como realmente es en la relatividad general”, dijo Zhang.
El algoritmo se aplicó a agujeros negros estelares con una amplia gama de tasas de acreción y espines, creando simulaciones que muestran cómo interactúa la materia para crear discos dominados por la radiación, chorros vigorosos y poderosos flujos ecuatoriales.
Los resultados también parecen respaldar una importante teoría que sugiere que los pequeños puntos rojos (LRD, por sus siglas en inglés) (objetos débiles de color rojo que se encuentran en el universo primitivo) son agujeros negros que consumen materia demasiado rápido. La alta tasa de acreción hace que emitan cantidades extremadamente altas de energía.
¿Por qué los agujeros negros estelares?
Los agujeros negros estelares se adaptan bien a la tarea y cambian en minutos y horas en lugar de años y siglos (como lo hacen los agujeros negros supermasivos). Además, su tamaño (relativamente) pequeño los hace más difíciles de observar utilizando métodos tradicionales, lo que subraya la necesidad de realizar simulaciones.
Mientras que un agujero negro supermasivo como Sagitario A* en la Vía Láctea tiene una masa millones e incluso miles de millones de veces mayor que la del Sol, los agujeros negros estelares más pequeños equivalen a unos pocos soles, según la NASA.
En el futuro, el equipo probará su método en agujeros negros de otros tipos (incluidos los agujeros negros supermasivos) para ver si las simulaciones pueden mejorar nuestra comprensión de estos misteriosos objetos.
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