Una nueva investigación encuentra que los agujeros negros supermasivos devoran la materia circundante más rápido de lo que se pensaba anteriormente. La información proviene de simulaciones de alta resolución y podría explicar por qué los quásares brillan y se desvanecen tan rápidamente. Un nuevo estudio dirigido por la Universidad Northwestern está cambiando la forma en que los astrofísicos entienden los hábitos alimentarios de los agujeros negros supermasivos. Investigadores anteriores asumieron que los agujeros negros comen lentamente, pero nuevas simulaciones muestran que los agujeros negros devoran alimentos mucho más rápido de lo que se pensaba.
La investigación fue publicada en el Astrophysical Journal el 20 de septiembre.
Perspectivas de simulación
Según nuevas simulaciones tridimensionales de alta resolución, un agujero negro giratorio deforma el espacio-tiempo a su alrededor, desgarrando finalmente el violento vórtice de gas, o disco de acreción, que rodea y alimenta al agujero negro. Esto hace que el disco de acreción se rompa en dos subdiscos, uno interno y otro externo. El agujero negro devora primero el anillo interior. Luego, fragmentos del subdisco exterior se derraman hacia adentro, llenando el vacío dejado por el anillo interior completamente devorado, y el proceso devorador se repite.
Un ciclo de repetición interminable del proceso de "comer" - "comer" - "comer de nuevo" lleva sólo unos pocos meses, una escala de tiempo sorprendentemente rápida en comparación con los cientos de años propuestos anteriormente por los investigadores.
El nuevo descubrimiento ayuda a explicar el dramático comportamiento de algunos de los objetos más brillantes del cielo nocturno, incluidos los quásares, que repentinamente estallan en llamas y luego desaparecen sin razón aparente.
Nick Kaaz, de la Universidad Northwestern, quien dirigió el estudio, dijo: "La teoría clásica del disco de acreción predice que el disco de acreción evolucionará lentamente. Pero algunos cuásares (agujeros negros que devoran gas en el disco de acreción) parecen sufrir cambios dramáticos en escalas de tiempo de meses a años. Los cambios son tan dramáticos. Parece que la parte interna del disco de acreción, de donde proviene la mayor parte de la luz, se destruye y luego se repone. La teoría clásica del disco de acreción no puede explicar este cambio dramático. pero es posible que el rápido aumento y atenuación observados en nuestras simulaciones sea consistente con la destrucción de las regiones internas del disco".
Kaaz es un estudiante de posgrado en astronomía en la Facultad de Artes y Ciencias Weinberg de la Universidad Northwestern y miembro del Centro de Exploración e Investigación Interdisciplinaria en Astrofísica (CIERA). Kaaz fue supervisado por el coautor Alexander Tchekhovskoy, profesor asociado de física y astronomía en Weinberg College y miembro de CIERA.
suposición equivocada
Los discos de acreción que rodean los agujeros negros son objetos físicamente muy complejos y, por tanto, difíciles de modelar. Las teorías convencionales han luchado por explicar por qué estos discos brillan tanto y luego de repente se atenúan y, a veces, desaparecen por completo.
Investigadores anteriores creían erróneamente que los discos de acreción estaban relativamente ordenados. En estos modelos, el gas y las partículas orbitan el agujero negro, en el mismo plano que el agujero negro y en la misma dirección que su giro. Luego, en escalas de tiempo de cientos a cientos de miles de años, las partículas de gas gradualmente entran en espiral hacia el agujero negro, alimentándolo.
"Durante décadas, la gente asumió que el disco de acreción estaba alineado con la rotación del agujero negro", dijo Kaaz. "Pero el gas que alimenta estos agujeros negros no necesariamente sabe en qué dirección giran, entonces, ¿por qué se alinean? Cambiar la alineación cambia la imagen dramáticamente".
La simulación de los investigadores, una de las simulaciones de mayor resolución de un disco de acreción hasta la fecha, muestra que la región alrededor de un agujero negro es mucho más caótica y turbulenta de lo que se pensaba anteriormente.
Más parecido a un giroscopio que a un plato.
Los investigadores utilizaron Summit, una de las supercomputadoras más grandes del mundo en el Laboratorio Nacional Oak Ridge, para realizar simulaciones tridimensionales de magnetohidrodinámica relativista general (GRMHD) de un disco de acreción delgado inclinado. Si bien las simulaciones anteriores no eran lo suficientemente potentes como para incluir toda la física necesaria para construir un agujero negro real, el modelo liderado por Northwestern incorpora la dinámica de los gases, los campos magnéticos y la relatividad general para construir una imagen más completa.
"Los agujeros negros son objetos relativistas generales extremos que afectan el espacio-tiempo circundante", dijo Kaaz. "Entonces, cuando los agujeros negros giran, arrastran el espacio a su alrededor como un tiovivo gigante, obligando al espacio a girar también, un fenómeno conocido como 'marco de arrastre'. Esto crea un efecto muy fuerte cerca del agujero negro, y se vuelve cada vez más débil a medida que se aleja".
El arrastre de cuadros hace que todo el disco se tambalee en un círculo, similar al preprocesamiento de un giroscopio. Pero el interior del disco oscila mucho más rápido que el exterior. Este desajuste de fuerzas hace que todo el disco se deforme, provocando que los gases de diferentes partes del disco choquen. Las fuertes ondas de choque creadas por la colisión empujan violentamente el material cada vez más cerca del agujero negro.
A medida que la deformación se vuelve más severa, la región más interna del disco de acreción continúa bamboleándose cada vez más rápido hasta que se separa del resto del disco. Luego, según los nuevos resultados de la simulación, los subdiscos comienzan a evolucionar independientemente unos de otros. En lugar de moverse juntos suavemente como placas planas alrededor del agujero negro, los subdiscos se tambalean de forma independiente a diferentes velocidades y ángulos, como las ruedas de un giroscopio.
"A medida que el disco interno se rompe, se preprocesa de forma independiente. Su movimiento hacia adelante es más rápido porque está más cerca del agujero negro y, como es más pequeño, puede moverse más fácilmente", dijo Kaaz.
Donde ganan los agujeros negros
Según las nuevas simulaciones, la zona de desgarro (donde se desconectan los subdiscos internos y externos) es donde realmente comienza el frenesí de alimentación. Mientras que la fricción intenta mantener unido el disco, la distorsión del espacio-tiempo del agujero negro giratorio intenta destrozarlo.
"Existe una competencia entre la rotación del agujero negro y la fricción y presión dentro del disco", dijo Katz. "La zona de rotura es donde gana el agujero negro. Los discos interior y exterior chocan entre sí. El disco exterior elimina capas del disco interior, empujándolo hacia dentro".
Ahora, los subdiscos se cruzan en diferentes ángulos. El disco exterior vierte el material sobre el disco interior. Esta masa adicional también empuja el disco interno hacia el agujero negro, tragándolo. La propia gravedad del agujero negro luego atrae gas desde las regiones exteriores hacia las regiones interiores ahora vacías, llenándolo.
Conexiones entre cuásares
Este rápido ciclo de "comer y comer-comer" podría explicar la llamada "apariencia cambiante" de los quásares, dijo Katz. Los cuásares son objetos extremadamente brillantes que emiten 1.000 veces la energía de los 200.000 a 400.000 millones de estrellas de toda la Vía Láctea. Los cambios en los quásares son aún más extremos. Parecen parpadear a lo largo de varios meses, un tiempo extremadamente corto para un quásar típico.
Aunque la teoría clásica hace suposiciones sobre la velocidad de evolución del disco de acreción y los cambios de brillo, las observaciones de los cuásares distorsionados sugieren que en realidad evolucionan mucho más rápido.
"La región interna del disco de acreción, que es de donde proviene la mayor parte del brillo, puede desaparecer por completo, rápidamente en cuestión de meses. Básicamente podemos verlo desaparecer por completo. El sistema ya no se enciende. Luego, se vuelve más brillante nuevamente y el proceso se repite. La teoría convencional no puede explicar por qué desaparece en primer lugar, o cómo se vuelve a llenar tan rápidamente".
La nueva simulación tiene el potencial no sólo de explicar los quásares, sino también de responder preguntas de larga data sobre la misteriosa naturaleza de los agujeros negros.
"Cómo entra el gas en un agujero negro para alimentarlo es una cuestión central en la física de los discos de acreción", dijo Katz. "Si sabes cómo sucede esto, podrás saber cuánto dura el disco, qué tan brillante es y cómo debería verse la luz cuando lo miramos con un telescopio".