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Científicos simulan cómo los agujeros negros arrastran el espacio-tiempo


Las simulaciones avanzadas creadas con una de las supercomputadoras más potentes del mundo muestran que las corrientes de los chorros cambian gradualmente de dirección en el espacio, como resultado del espacio-tiempo que es arrastrado hacia la rotación del agujero negro.

Este comportamiento se alinea con las predicciones de Albert Einstein que advierten de la extrema fuerza de gravedad que ejercen los agujeros negros rotativos, publicado en su famosa teoría de la relatividad general.

"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", dijo Alexander Tchekhovskoy, profesor asistente de física y astronomía en el Weinberg College de Northwestern de Artes y Ciencias. "Afortunadamente, los avances en la arquitectura de supercomputación nos están acercando cada vez más a encontrar las respuestas".


Espaguetis magnéticos

Los agujeros negros que giran rápidamente no solo engullen la materia sino que también emiten energía en forma de chorros relativistas. El gas y los campos magnéticos que alimentan un agujero negro supermasivo se arremolinan para formar un disco giratorio: un ‘espagueti enredado’ de líneas de campo magnético mezcladas en un caldo de gas caliente.

A medida que el agujero negro consume esta sopa astrofísica, se traga el caldo pero deja los ‘espaguetis magnéticos’ colgando de su boca. Esto hace que el agujero negro se convierta en una especie de plataforma de lanzamiento desde la cual la energía, en forma de chorros relativistas, se dispara desde la red de espagueti magnético retorcido.

Los chorros emitidos por los agujeros negros son más fáciles de estudiar que los propios agujeros negros porque los chorros son muy grandes. Este estudio permite a los astrónomos comprender qué tan rápido está cambiando la dirección del chorro, lo que revela información sobre el giro del agujero negro, así como la orientación y el tamaño del disco giratorio y otras propiedades difíciles de medir de la acumulación del agujero negro.

Mientras que casi todas las simulaciones anteriores consideraban a los agujeros negros como discos alineados, en realidad, se cree que los agujeros negros supermasivos centrales de la mayoría de las galaxias albergan discos inclinados, lo que significa que el disco gira alrededor de un eje distinto al agujero negro. Este estudio confirma que, si se inclinan, los discos cambian de dirección en relación con el agujero negro. Por primera vez, las simulaciones mostraron que tales discos inclinados conducen a chorros de precesión que cambian periódicamente su dirección en el cielo.

Una razón importante por la cual los chorros de precesión no se descubrieron antes es porque las simulaciones tridimensionales de la región que rodea un agujero negro que gira rápidamente requieren una enorme cantidad de potencia de cálculo. Para abordar este problema, los investigadores construyeron el primer código de simulación de agujero negro acelerado por unidades de procesamiento gráfico (GPU).

"La alta resolución nos permitió, por primera vez, garantizar que los movimientos del disco turbulento a pequeña escala fueran capturados con precisión en nuestros modelos", dijo Tchekhovskoy. "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".

Debido a que la acreción en los agujeros negros es un sistema altamente complejo similar a un huracán, pero ubicado tan lejos que no podemos discernir muchos detalles, las simulaciones ofrecen una forma poderosa de comprender las observaciones del telescopio y comprender el comportamiento de los agujeros negros.

Los resultados de la simulación servirán para ser utilizados en futuros estudios que involucran agujeros negros rotativos, que actualmente se están llevando a cabo en todo el mundo. A través de estos esfuerzos, los astrónomos están tratando de comprender los fenómenos recientemente descubiertos, como las primeras detecciones de ondas gravitacionales de colisiones de estrellas de neutrones y los fuegos artificiales electromagnéticos acompañantes, así como las estrellas que son engullidas por agujeros negros supermasivos.

Los cálculos también se están aplicando para interpretar las observaciones del Telescopio del Horizonte de Sucesos (EHT), que capturó las primeras grabaciones de la sombra del agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea.

Además, la precesión de los chorros lanzados por el espacio podría explicar las fluctuaciones en la intensidad de la luz proveniente de los agujeros negros, llamadas oscilaciones cuasi periódicas. Tales oscilaciones pueden ocurrir de forma similar a la forma en que el rayo giratorio de un faro aumenta en intensidad a medida que pasa por un observador. Las oscilaciones cuasi periódicas se descubrieron cerca de los agujeros negros (como rayos X) en 1985 por Michiel van der Klis (Universidad de Amsterdam), quien es coautor del nuevo artículo.

Referencia del documento científico:
M Liska et al. Formación de chorros de prensado por discos de agujero negro inclinados en simulaciones de MHD relativistas en 3D. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters, Volumen 474, Número 1, febrero de 2018, páginas L81 – L85; DOI: 10.1093 / mnrasl / slx174

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