Un equipo internacional ha construido la simulación más detallada y de mayor resolución de un agujero negro hasta la fecha. La simulación demuestra predicciones teóricas sobre la naturaleza de los discos de acreción - la materia que orbita y eventualmente cae en un agujero negro - que nuncaantes de ser visto.
La investigación se publicará el 5 de junio en el Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society .
Entre los hallazgos, el equipo de astrofísicos computacionales de la Universidad Northwestern, la Universidad de Amsterdam y la Universidad de Oxford descubrió que la región más interna de un disco de acreción se alinea con el ecuador de su agujero negro.
Este descubrimiento resuelve un misterio de larga data, presentado originalmente por el físico ganador del Premio Nobel John Bardeen y el astrofísico Jacobus Petterson en 1975. En ese momento, Bardeen y Petterson argumentaron que un agujero negro giratorio causaría que la región interna de un disco de acreción inclinadoalinearse con el plano ecuatorial de su agujero negro.
Después de una carrera global de décadas para encontrar el llamado efecto Bardeen-Petterson, la simulación del equipo descubrió que, mientras que la región externa de un disco de acreción permanece inclinada, la región interna del disco se alinea con el agujero negro.la deformación conecta las regiones internas y externas. El equipo resolvió el misterio al adelgazar el disco de acreción en un grado sin precedentes e incluyendo la turbulencia magnetizada que hace que el disco se acrecienta. Las simulaciones previas hicieron una simplificación sustancial al simplemente aproximar los efectos de la turbulencia.
"Este descubrimiento innovador de la alineación de Bardeen-Petterson cierra un problema que ha atormentado a la comunidad astrofísica durante más de cuatro décadas", dijo Alexander Tchekhovskoy, de Northwestern, quien dirigió la investigación. "Estos detalles alrededor del agujero negro pueden parecerpequeño, pero impactan enormemente lo que sucede en la galaxia en su conjunto. Controlan la velocidad con la que giran los agujeros negros y, como resultado, qué efecto tienen los agujeros negros en todas sus galaxias ".
Tchekhovskoy es profesor asistente de física y astronomía en el Colegio de Artes y Ciencias Weinberg de Northwestern y miembro del CIERA Centro de Exploración e Investigación Interdisciplinaria en Astrofísica, un centro de investigación dotado en Northwestern enfocado en avanzar en estudios de astrofísica con énfasis enconexiones interdisciplinarias. Matthew Liska, investigador del Instituto de Astronomía Anton Pannenkoek de la Universidad de Ámsterdam, es el primer autor del artículo.
"Estas simulaciones no solo resuelven un problema de 40 años, sino que han demostrado que, al contrario del pensamiento típico, es posible simular los discos de acreción más luminosos en la relatividad general", dijo Liska. "camino para una próxima generación de simulaciones, que espero resuelvan problemas aún más importantes que rodean a los discos de acreción luminosa ".
alineación evasiva
Casi todo lo que los investigadores saben sobre los agujeros negros se ha aprendido al estudiar los discos de acreción. Sin el anillo intensamente brillante de gas, polvo y otros desechos estelares que se arremolinan alrededor de los agujeros negros, los astrónomos no podrían detectar un agujero negro para estudiarLos discos de acreción también controlan el crecimiento y la velocidad de rotación de un agujero negro, por lo que comprender la naturaleza de los discos de acreción es clave para comprender cómo evolucionan y funcionan los agujeros negros.
"La alineación afecta la forma en que los discos de acreción aprietan sus agujeros negros", dijo Tchekhovskoy. "Por lo tanto, afecta la forma en que el giro de un agujero negro evoluciona con el tiempo y lanza salidas que afectan la evolución de sus galaxias anfitrionas".
Desde Bardeen y Petterson hasta el día de hoy, las simulaciones se han simplificado demasiado para encontrar la alineación histórica. Dos problemas principales han actuado como una barrera para los astrofísicos computacionales. Por un lado, los discos de acreción se acercan tanto al agujero negro que se mueven a través de deformacionesespacio-tiempo, que se precipita en el agujero negro a una velocidad inmensa. Para complicar aún más las cosas, la rotación del agujero negro obliga al espacio-tiempo a girar a su alrededor. La explicación adecuada de estos dos efectos cruciales requiere relatividad general, la teoría de Albert Einstein que predice cómo los objetosafectar la geometría del espacio-tiempo a su alrededor.
Segundo, los astrofísicos no han tenido poder de cómputo para dar cuenta de la turbulencia magnética, o la agitación dentro del disco de acreción. Esta agitación es lo que hace que las partículas del disco se mantengan juntas en forma circular y lo que hace que el gas finalmente caiga en el negroagujero.
"Imagina que tienes este disco delgado. Luego, además de eso, tienes que resolver los movimientos turbulentos dentro del disco", dijo Tchekhovskoy. "Se convierte en un problema realmente difícil".
Sin poder resolver estas características, los científicos computacionales no pudieron simular agujeros negros realistas.
descifrando el código
Para desarrollar un código capaz de realizar simulaciones de discos de acreción titulados alrededor de agujeros negros, Liska y Tchekhovskoy utilizaron unidades de procesamiento gráfico GPU en lugar de unidades de procesamiento central CPU. Extremadamente eficiente en la manipulación de gráficos de computadora y procesamiento de imágenes, las GPU aceleranla creación de imágenes en una pantalla. Son mucho más eficientes que las CPU para algoritmos informáticos que procesan grandes extensiones de datos.
Tchekhovskoy compara las GPU con 1,000 caballos y las CPU con un Ferrari de 1,000 caballos de fuerza.
"Digamos que necesitas mudarte a un nuevo departamento", explicó. "Tendrás que hacer muchos viajes con este poderoso Ferrari porque no cabe en muchas cajas. Pero si pudieras poner una caja en cadacaballo, puedes 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 ".
Liska también agregó un método llamado refinamiento de malla adaptativa, que usa una malla dinámica o rejilla, que cambia y se adapta al flujo de movimiento a lo largo de la simulación. Ahorra energía y energía de la computadora al enfocarse solo en bloques específicos en la rejilla dondese produce movimiento
Las GPU aceleraron sustancialmente la simulación, y la malla adaptativa aumentó la resolución. Estas mejoras permitieron al equipo simular el disco de acreción más delgado hasta la fecha, con una relación altura-radio de 0.03. Cuando el disco se simuló así de delgado, ellos investigadores pudieron ver que la alineación ocurre justo al lado del agujero negro.
"Los discos más delgados simulados anteriormente tenían una relación altura-radio de 0.05, y resulta que todas las cosas interesantes suceden a 0.03", dijo Tchekhovskoy.
En un hallazgo sorprendente, incluso con estos discos de acreción increíblemente delgados, el agujero negro aún emitía potentes chorros de partículas y radiación.
"Nadie esperaba que estos discos produjeran chorros con tan poco espesor", dijo Tchekhovskoy. "La gente esperaba que los campos magnéticos que producen estos chorros simplemente rasgarían estos discos realmente delgados. Pero ahí están. Y eso realmente ayuda.resolvamos misterios observacionales "
El estudio, "Alineación de Bardeen-Petterson, chorros y truncamiento magnético en simulaciones GRMHD de discos de acreción delgados inclinados", fue apoyado por la National Science Foundation números de premio 1615281, OAC-1811605 y PHY-1125915, la Organización de los Países Bajos paraInvestigación científica, The Royal Society y NASA.
La simulación utilizada en el trabajo se realizó en las supercomputadoras Blue Waters en el Centro Nacional de Aplicaciones de Supercomputación de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad del Noroeste . Original escrito por Amanda Morris. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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