Las tierras fronterizas de los agujeros negros deberían ser espacios caóticos donde el ritmo al que la materia es arrastrada hacia el olvido sólo se ve frenado por la furia cegadora de la radiación que se derrama desde el borde de la oscuridad.
Esta zona se considera inestable, propensa a llamaradas, chorros y explosiones. Sin embargo, predecir estos eventos dinámicos puede ser complicado, y las descripciones matemáticamente precisas del espacio deformado y la física extrema que lo rodea resultan un desafío.
Un nuevo estudio de modelización dirigido por investigadores del Instituto Flatiron de EE.UU. proporciona ahora las simulaciones más detalladas hasta la fecha de cómo los agujeros negros de masa estelar devoran y arrojan materia a distintos ritmos.
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Fundamentalmente, el estudio no se basó en simplificaciones utilizadas en modelos anteriores. Anteriormente, esos atajos eran necesarios sólo para hacer posibles los cálculos, pero aquí las simulaciones se basaron en datos mucho más complejos.
Utilizando dos potentes supercomputadoras para combinar observaciones de los flujos de acreción de los agujeros negros con medidas de su giro y campo magnético, el equipo desarrolló un nuevo modelo que describe el movimiento del gas, la luz y el magnetismo alrededor de agujeros negros poco más grandes que nuestro propio Sol.
“Esta es la primera vez que hemos podido ver qué sucede cuando se incluyen con precisión los procesos físicos más importantes en la acreción de un agujero negro”, dice la astrofísica Lizhong Zhang, del Instituto Flatiron.
“Estos sistemas son extremadamente no lineales: cualquier suposición demasiado simplificadora puede cambiar completamente el resultado”.
Las nuevas simulaciones se alinean con observaciones de varios tipos de sistemas de agujeros negros. Si bien ahora es posible obtener imágenes detalladas de los agujeros negros supermasivos, aún es necesario separar la luz de objetos más pequeños para que los astrónomos puedan mapear la distribución de su energía.
Al atraer suficiente material, demostraron los investigadores, los agujeros negros acumulan gruesos discos de acreción que absorben cantidades significativas de radiación, liberando energía a través de vientos y chorros.
Sus simulaciones de estos voraces agujeros negros también mostraron cómo se forma un estrecho embudo, que sorbe material a velocidades asombrosas y crea un haz de radiación saliente que sólo puede observarse desde ciertos ángulos de visión favorables.
El equipo también descubrió que la configuración del campo magnético circundante puede desempeñar un papel importante en el comportamiento del agujero negro, ayudando a guiar el flujo de gas hacia su horizonte y hacia afuera en forma de vientos y chorros.
“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”, dice Zhang.
La simulación incorpora la teoría general de la relatividad de Einstein, que describe cómo las masas distorsionan el espacio y el tiempo, además de modelos detallados que cubren las leyes de la física que gobiernan el gas plasma, los campos magnéticos y la forma en que la luz interactúa con la materia.
“Nuestros métodos capturan con precisión la propagación de fotones en el espacio-tiempo curvo y, cuando se acoplan al fluido, convergen a soluciones conocidas para ondas y choques lineales”, escriben los investigadores.
A continuación, los investigadores quieren ver si sus simulaciones también podrían aplicarse a otros tipos de agujeros negros, incluido el agujero negro supermasivo Sagitario A* en el centro de nuestra Vía Láctea.
También sugieren que sus simulaciones podrían ayudar a resolver el misterio de los ‘pequeños puntos rojos’ recientemente descubiertos, que emiten menos radiación de rayos X de lo esperado.
“Aunque nuestros modelos utilizan opacidades apropiadas para los agujeros negros de masa estelar, es probable que muchas características generales de nuestros resultados también se apliquen a la acreción en agujeros negros supermasivos”, escriben los investigadores.
La investigación ha sido publicada en The Astrophysical Journal.