Los agujeros negros son una de las fuerzas más impresionantes y misteriosas del Universo. Originalmente predicho por la Teoría de la relatividad general de Einstein, estos puntos en el espacio-tiempo se forman cuando las estrellas masivas sufren un colapso gravitacional al final de sus vidas. A pesar de décadas de estudio y observación, todavía hay mucho que no sabemos sobre este fenómeno.
Por ejemplo, los científicos todavía están en gran medida en la oscuridad acerca de cómo se comporta la materia que cae en órbita alrededor de un agujero negro y se alimenta gradualmente sobre él (discos de acreción). Gracias a un estudio reciente, donde un equipo internacional de investigadores realizó las simulaciones más detalladas de un agujero negro hasta la fecha, una serie de predicciones teóricas con respecto a los discos de acreción finalmente se han validado.
El equipo estaba formado por astrofísicos computacionales del Instituto de Astronomía Anton Pannekoek de la Universidad de Ámsterdam, el Centro de Investigación e Investigación Interdisciplinaria en Astrofísica de la Universidad del Noroeste (CIERA) y la Universidad de Oxford. Los hallazgos de su investigación aparecieron en la edición del 5 de junio del Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society.
Entre sus hallazgos, el equipo confirmó una teoría presentada originalmente en 1975 por James Bardeen y Jacobus Petterson, que se conoce como el Efecto Bardeen-Petterson. De acuerdo con esta teoría, el equipo descubrió que si bien la región externa de un disco de acreción permanecerá inclinada, la región interna del disco se alineará con el ecuador de su agujero negro.
En pocas palabras, se ha aprendido casi todo lo que los investigadores saben sobre los agujeros negros al estudiar los discos de acreción. Sin estos brillantes anillos de gas y polvo, es poco probable que los científicos puedan localizar agujeros negros. Además, el crecimiento y la velocidad de rotación de un agujero negro también dependen de su disco de acreción, lo que hace que su estudio sea esencial para comprender la evolución y el comportamiento de los agujeros negros.
Como Alexander Tchekhovskoy, un
Desde que Bardeen y Petterson propusieron su teoría, las simulaciones de agujeros negros han sufrido una serie de problemas que les han impedido determinar si esta alineación se lleva a cabo. En primer lugar, cuando los discos de acreción se acercan al Event Horizon, aceleran a velocidades tremendas y se mueven a través de regiones deformadas del espacio-tiempo.
Un segundo problema que complica aún más las cosas es el hecho de que la rotación de un agujero negro obliga al espacio-tiempo a girar a su alrededor. Ambos problemas requieren que los astrofísicos tengan en cuenta los efectos de la relatividad general, pero sigue existiendo el problema de la turbulencia magnética. Esta turbulencia hace que las partículas del disco se mantengan juntas en forma circular y
Hasta ahora, los astrofísicos no han tenido el poder informático para dar cuenta de todo esto. Para desarrollar un código robusto capaz de llevar a cabo simulaciones que tuvieran en cuenta la GR y la turbulencia magnética, el equipo desarrolló un código basado en unidades de procesamiento gráfico (GPU). En comparación con las unidades de procesamiento central (CPU) convencionales, las GPU son mucho más eficientes en el procesamiento de imágenes y algoritmos informáticos que procesan grandes extensiones de datos.
El equipo también incorporó un método llamado refinamiento de malla adaptativa, que ahorra energía al enfocarse solo en bloques específicos donde ocurre el movimiento y se adapta en consecuencia. Para ilustrar la diferencia, Tchekhovskoy comparó GPU y
"Supongamos que necesita mudarse a un nuevo apartamento. Tendrá que hacer muchos viajes con este poderoso Ferrari porque no cabe en muchas cajas. Pero si pudieras poner una caja en cada caballo, podrías mover todo de una vez. Esa es la GPU. Tiene muchos elementos, cada uno de los cuales es más lento que los de la CPU, pero hay muchos de ellos ".
Por último, pero no menos importante, el equipo ejecutó su simulación utilizando las supercomputadoras Blue Waters en el Centro Nacional de Aplicaciones de Supercomputación (NCSA) de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign. Lo que encontraron fue que, mientras que la región externa de un disco puede estar en mosaico, la región interna estará alineada con el ecuador del agujero negro y una urdimbre suave los conectará.
Además de proporcionar un cierre a un debate de larga data sobre los agujeros negros y sus discos de acreción, este estudio también muestra que la astrofísica ha progresado mucho desde los días de Bardeen y Petterson. Como Matthew Liska, un investigador resumió:
“Estas simulaciones no solo resuelven un problema de 40 años, sino que han demostrado que, contrariamente al pensamiento típico, es posible simular los discos de acreción más luminosos en una relatividad general completa. Esto allana el camino para una próxima generación de simulaciones, que espero resuelvan problemas aún más importantes relacionados con los discos de acreción luminosa ”.
El equipo resolvió el antiguo misterio del Efecto Bardeen-Petterson al adelgazar el disco de acreción a un grado sin precedentes y factorizando la turbulencia magnetizada que hace que el disco se acrecienta. Simulaciones anteriores hicieron una simplificación sustancial al simplemente aproximar los efectos de la turbulencia.
Además, las simulaciones anteriores funcionaron con discos adelgazados que tenían una relación mínima de altura a radio de 0.05, mientras que los efectos más interesantes vistos por Tchekhovskoy y sus colegas ocurrieron una vez que el disco se diluyó a 0.03. Para su sorpresa, el equipo descubrió que incluso con discos de acreción increíblemente delgados, el agujero negro todavía emitía chorros de partículas y radiación a una parte de la velocidad de la luz (también conocidos como chorros relativistas).
Como explicó Tchekhovskoy, este fue un hallazgo bastante inesperado:
“Nadie esperaba que estos discos produjeran chorros con espesores tan leves. La gente esperaba que los campos magnéticos que producen estos chorros simplemente rasgarían estos discos realmente delgados. Pero ahí están. Y eso en realidad nos ayuda a resolver misterios observacionales ".
Con todos los hallazgos recientes que los astrofísicos han hecho sobre los agujeros negros y sus discos de acreción, se podría decir que estamos viviendo en la segunda "Edad de Oro de la Relatividad". Y no sería exagerado decir que los beneficios científicos de toda esta investigación podrían ser inmensos. Al comprender cómo se comporta la materia en las condiciones más extremas, nos estamos acercando cada vez más a aprender cómo las fuerzas fundamentales del Universo se unen.
