Los agujeros negros han sido una fuente interminable 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 permanece. Por ejemplo, los científicos han notado que en algunos casos, los agujeros negros tienen chorros masivos de partículas cargadas que emanan de ellos que se extienden por millones de años luz.
Estos "chorros relativistas", llamados así porque impulsan partículas cargadas a una fracción de la velocidad de la luz, han intrigado a los astrónomos durante años. Pero gracias a un estudio reciente realizado por un equipo internacional de investigadores, se han obtenido nuevos conocimientos sobre estos aviones. De acuerdo con la Relatividad General, los investigadores demostraron que estos chorros precesan gradualmente (es decir, cambian de dirección) como resultado del arrastre del espacio-tiempo hacia la rotación del agujero negro.
Su estudio, titulado "Formación de chorros de precesado por discos de agujeros negros inclinados en simulaciones 3D relativistas generales de MHD", apareció recientemente en el Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society. El equipo estaba formado por miembros del Centro de Exploración e Investigación Interdisciplinarias en Astrofísica (CIERA) de la Universidad Northwestern.
En aras de su estudio, el equipo realizó simulaciones utilizando la supercomputadora Blue Waters en la Universidad de Illinois. Las simulaciones que realizaron fueron las primeras en modelar el comportamiento de los chorros relativistas provenientes de los agujeros negros supermasivos (SMBH). Con cerca de mil millones de celdas computacionales, también fue la simulación de mayor resolución de un agujero negro acreciente jamás logrado.
Como Alexander Tchekhovskoy, profesor asistente de física y astronomía en el Colegio de Artes y Ciencias Weinberg de Northwestern, explicó 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 rompecabezas crucial y difícil de descifrar. Afortunadamente, los avances en el desarrollo de código y los saltos en la arquitectura de la supercomputadora nos acercan cada vez más a encontrar las respuestas ".
Al igual que todos los agujeros negros supermasivos, los SMBH que giran rápidamente envuelven regularmente (también conocido como accreto) 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 energía en forma de estos chorros. Debido a que estos chorros 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 agujeros negros, como la orientación y el tamaño de sus discos giratorios.
Las simulaciones avanzadas por computadora son necesarias cuando se trata del estudio de los agujeros negros, en gran parte porque no son observables en luz visible y generalmente están 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 anteriores, los científicos operaron bajo el supuesto 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 separado que el agujero negro en sí. Por lo tanto, este estudio fue seminal, ya que mostró cómo los discos pueden cambiar de dirección en relación con su agujero negro, lo que lleva a la inyección de chorros que periódicamente cambian de dirección.
Esto era previamente desconocido 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 utilizando Blue Waters, una de las supercomputadoras más grandes del mundo.
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 realizar simulaciones que tenían el nivel de resolución más alto jamás alcanzado, es decir, cerca de mil millones de celdas computacionales. Como explicó Tchekhovskoy:
“La alta resolución nos permitió, por primera vez, garantizar que los movimientos de disco turbulento a pequeña escala se capturen con precisión en nuestros modelos. Para nuestra sorpresa, estos movimientos resultaron ser tan fuertes que hicieron que el disco engordara y que la precesión del disco se detuviera. Esto sugiere que la precesión puede surgir en explosiones ".
La precesión de los chorros relativistas podría explicar por qué se han observado fluctuaciones de luz provenientes de agujeros negros en el pasado, lo que se conoce como oscilaciones cuasi periódicas (QPO). Estas vigas, que fueron descubiertas por primera vez por Michiel van der Klis (uno de los coautores del estudio), funcionan de manera muy similar a las vigas de un cuásar, 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 propósito 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 Event Horizon Telescope, que capturó las primeras imágenes de la sombra de Sagitario A *. Lo que revelarán es seguro que emocionará y sorprenderá, 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, indirectos de los efectos que tienen sobre la materia circundante, hasta el estudio de las ondas gravitacionales. Tal vez algún día, podríamos poder estudiarlos directamente o (si no es demasiado esperar) ¡mirar directamente dentro de ellos!
