Los agujeros negros no siempre están en la oscuridad. Los astrónomos han detectado espectáculos de luz intensa que brillan justo fuera del horizonte de eventos de los agujeros negros supermasivos, incluido el que se encuentra en el núcleo de nuestra galaxia. Sin embargo, los científicos no pudieron identificar la causa de estos destellos.más allá de la sospecha de participación de campos magnéticos.
Al emplear simulaciones por computadora de potencia y resolución incomparables, los físicos dicen que han resuelto el misterio: la energía liberada cerca del horizonte de eventos de un agujero negro durante la reconexión de las líneas del campo magnético alimenta las llamaradas, informan los investigadores el 14 de enero en Las cartas del diario astrofísico.
Las nuevas simulaciones muestran que las interacciones entre el campo magnético y el material que cae en las fauces del agujero negro hacen que el campo se comprima, se aplane, se rompa y se vuelva a conectar. En última instancia, ese proceso utiliza energía magnética para arrojar partículas de plasma caliente casi a la velocidad de la luz hacia el negro.agujero o hacia el espacio. Esas partículas pueden irradiar directamente parte de su energía cinética como fotones y dar a los fotones cercanos un impulso de energía. Esos fotones energéticos forman las misteriosas llamaradas del agujero negro.
En este modelo, el disco de material que cae previamente se expulsa durante las erupciones, despejando el área alrededor del horizonte de eventos. Esta limpieza podría proporcionar a los astrónomos una vista sin obstáculos de los procesos generalmente oscurecidos que ocurren justo fuera del horizonte de eventos.
"El proceso fundamental de reconectar líneas de campo magnético cerca del horizonte de sucesos puede aprovechar la energía magnética de la magnetosfera del agujero negro para impulsar destellos rápidos y brillantes", dice el coautor principal del estudio Bart Ripperda, becario postdoctoral conjunto en el Instituto FlatironCentro de Astrofísica Computacional CCA en la ciudad de Nueva York y la Universidad de Princeton. "Aquí es donde realmente estamos conectando la física del plasma con la astrofísica".
Ripperda es coautor del nuevo estudio con el científico investigador asociado de CCA Alexander Philippov, los científicos de la Universidad de Harvard Matthew Liska y Koushik Chatterjee, los científicos de la Universidad de Amsterdam Gibwa Musoke y Sera Markoff, el científico de la Universidad Northwestern Alexander Tchekhovskoy y el científico del University College London Ziri Younsi.
Un agujero negro, fiel a su nombre, no emite luz. Por lo tanto, las erupciones deben originarse fuera del horizonte de sucesos del agujero negro, el límite donde la atracción gravitacional del agujero negro se vuelve tan fuerte que ni siquiera la luz puede escapar. Material en órbita y caídarodea agujeros negros en forma de un disco de acreción, como el que rodea el gigantesco agujero negro que se encuentra en la galaxia M87. Este material cae en cascada hacia el horizonte de eventos cerca del ecuador del agujero negro. En los polos norte y sur de algunos de estos agujeros negros, chorros de partículas salen disparados al espacio casi a la velocidad de la luz.
Identificar dónde se forman las llamaradas en la anatomía de un agujero negro es increíblemente difícil debido a la física involucrada. Los agujeros negros doblan el tiempo y el espacio y están rodeados por poderosos campos magnéticos, campos de radiación y plasma turbulento: materia tan caliente que los electrones se desprenden de susátomos Incluso con la ayuda de computadoras poderosas, los esfuerzos anteriores solo pudieron simular sistemas de agujeros negros en resoluciones demasiado bajas para ver el mecanismo que alimenta las llamaradas.
Ripperda y sus colegas se esforzaron por aumentar el nivel de detalle en sus simulaciones. Usaron tiempo de computación en tres supercomputadoras: la supercomputadora Summit en el Laboratorio Nacional Oak Ridge en Tennessee, la supercomputadora Longhorn en la Universidad de Texas en Austin,y la supercomputadora Popeye del Instituto Flatiron ubicada en la Universidad de California, San Diego. En total, el proyecto tomó millones de horas de cómputo. El resultado de toda esta fuerza computacional fue, con mucho, la simulación de mayor resolución del entorno de un agujero negro jamás realizada.con más de 1000 veces la resolución de esfuerzos anteriores.
El aumento de la resolución dio a los investigadores una imagen sin precedentes de los mecanismos que conducen a la llamarada de un agujero negro. El proceso se centra en el campo magnético del agujero negro, que tiene líneas de campo magnético que brotan del horizonte de sucesos del agujero negro, formando el chorro yconectándose al disco de acreción. Las simulaciones anteriores revelaron que el material que fluye hacia el ecuador del agujero negro arrastra las líneas del campo magnético hacia el horizonte de eventos. Las líneas de campo arrastradas comienzan a acumularse cerca del horizonte de eventos, y eventualmente empujan hacia atrás y bloquean el flujo de material.
Con su resolución excepcional, la nueva simulación capturó por primera vez cómo se intensifica el campo magnético en el borde entre el material que fluye y los chorros del agujero negro, comprimiendo y aplanando las líneas de campo ecuatoriales. Esas líneas de campo ahora están en carriles alternos apuntandohacia el agujero negro o alejándose de él. Cuando dos líneas que apuntan en direcciones opuestas se encuentran, pueden romperse, reconectarse y enredarse. Entre los puntos de conexión, se forma un bolsillo en el campo magnético. Esos bolsillos están llenos de plasma caliente que cae enel agujero negro o es acelerado hacia el espacio a velocidades tremendas, gracias a la energía tomada del campo magnético en los chorros.
"Sin la alta resolución de nuestras simulaciones, no podría capturar la subdinámica y las subestructuras", dice Ripperda. "En los modelos de baja resolución, no se produce la reconexión, por lo que no hay ningún mecanismo que pueda acelerar las partículas".
Las partículas de plasma en el material catapultado inmediatamente irradian algo de energía en forma de fotones. Las partículas de plasma pueden sumergirse aún más en el rango de energía necesario para dar un impulso de energía a los fotones cercanos. Esos fotones, ya sean transeúntes o los fotones creados inicialmente por el plasma lanzado,componen las llamaradas más energéticas. El material en sí mismo termina en una gota caliente que orbita en las cercanías del agujero negro. Tal gota ha sido detectada cerca del agujero negro supermasivo de la Vía Láctea.pistola por explicar esa observación", dice Ripperda.
Los investigadores también observaron que después de que el agujero negro se enciende por un tiempo, la energía del campo magnético disminuye y el sistema se reinicia. Luego, con el tiempo, el proceso comienza de nuevo. Este mecanismo cíclico explica por qué los agujeros negros emiten destellos en horarios establecidos que vandesde todos los días para el agujero negro supermasivo de nuestra Vía Láctea hasta cada pocos años para M87 y otros agujeros negros.
Ripperda cree que las observaciones del Telescopio Espacial James Webb lanzado recientemente, combinadas con las del Telescopio Event Horizon, podrían confirmar si el proceso visto en las nuevas simulaciones está ocurriendo y si cambia las imágenes de la sombra de un agujero negro. "Tendremospara ver", dice Ripperda. Por ahora, él y sus colegas están trabajando para mejorar sus simulaciones con aún más detalle.
Acerca del Instituto Flatiron
El Instituto Flatiron es la división de investigación de la Fundación Simons. La misión del instituto es promover la investigación científica a través de métodos computacionales, incluidos el análisis de datos, la teoría, el modelado y la simulación. El Centro de Astrofísica Computacional del instituto crea nuevos marcos computacionales que permiten a los científicosanalizar grandes conjuntos de datos astronómicos y comprender la física compleja y de múltiples escalas en un contexto cosmológico.
Fuente de la historia:
Materiales proporcionado por Fundación Simons. Original escrito por Thomas Sumner. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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