A través de las primeras simulaciones de supercomputadoras de su tipo, investigadores, incluido un profesor de la Universidad Northwestern, Han adquirido una nueva visión de uno de los fenómenos más misteriosos de la astronomía moderna:el comportamiento de los chorros relativistas que disparan desde los agujeros negros, extendiéndose hacia afuera a través de millones de años luz.

Simulaciones avanzadas creadas con una de las supercomputadoras más poderosas del mundo muestran que las corrientes de los chorros cambian gradualmente de dirección en el cielo. o preceso, como resultado de que el espacio-tiempo sea arrastrado a la rotación del agujero negro. Este comportamiento se alinea con las predicciones de Albert Einstein sobre la gravedad extrema cerca de los agujeros negros en rotación, publicado en su famosa teoría de la relatividad general.

"Entender 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 crucial, rompecabezas difícil de descifrar, "dijo Alexander Tchekhovskoy, profesor asistente de física y astronomía en la Facultad de Artes y Ciencias Weinberg de Northwestern. "Afortunadamente, los avances en el desarrollo de código y los avances en la arquitectura de supercomputadoras nos acercan cada vez más a encontrar las respuestas ".

El estudio, publicado en el Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society , es una colaboración entre Tchekhovskoy, Matthew Liska y Casper Hesp. Liska y Hesp son los autores principales del estudio y estudiantes graduados de la Universidad de Ámsterdam. Países Bajos.

Los agujeros negros que giran rápidamente no solo engullen la materia, sino que también emiten energía en forma de chorros relativistas. Similar a cómo el agua en una bañera forma un remolino cuando se va por un desagüe, 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. Mientras el agujero negro consume esta sopa astrofísica, se traga el caldo pero deja los espaguetis magnéticos colgando de su boca. Esto convierte al agujero negro en una especie de plataforma de lanzamiento de la cual la energía, en forma de chorros relativistas, brotes de la red de espaguetis magnéticos retorcidos.

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, 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 acreción del agujero negro.

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

Una razón importante por la que no se descubrieron antes los chorros de precesión es que las simulaciones tridimensionales de la región que rodea a un agujero negro que gira rápidamente requieren una enorme cantidad de poder computacional. Para abordar este asunto, los investigadores construyeron el primer código de simulación de agujero negro acelerado por unidades de procesamiento gráfico (GPU). Una subvención de la National Science Foundation les permitió realizar las simulaciones en Blue Waters, una de las supercomputadoras más grandes del mundo, ubicado en la Universidad de Illinois.

La confluencia del código rápido, que utiliza eficientemente una arquitectura de GPU de vanguardia, y la supercomputadora Blue Waters permitió al equipo realizar simulaciones con la resolución más alta jamás alcanzada:hasta mil millones de células computacionales.

"La alta resolución nos permitió, por primera vez, para garantizar que los movimientos de los discos turbulentos a pequeña escala se capturen con precisión en nuestros modelos, ", Dijo Tchekhovskoy." Para nuestra sorpresa, estos movimientos resultaron ser tan fuertes que hicieron que el disco se engordara y la precesión del disco se detuviera. Esto sugiere que la precesión puede producirse en ráfagas ".

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

Los resultados de la simulación son importantes para futuros estudios que involucren agujeros negros en rotación, que actualmente se llevan a cabo en todo el mundo. A través de estos esfuerzos, Los astrónomos están intentando comprender fenómenos recientemente descubiertos, como las primeras detecciones de ondas gravitacionales de las colisiones de estrellas de neutrones y los fuegos artificiales electromagnéticos que las acompañan, así como las estrellas regulares engullidas por agujeros negros supermasivos.

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

Adicionalmente, La precesión de los chorros podría explicar las fluctuaciones en la intensidad de la luz proveniente de los agujeros negros. llamadas oscilaciones cuasi-periódicas (QPO). Tales oscilaciones pueden ocurrir de manera similar a la forma en que el haz giratorio de un faro aumenta en intensidad a medida que pasa por un observador. Los QPO fueron descubiertos por primera vez cerca de los agujeros negros (como rayos X) en 1985 por Michiel van der Klis (Universidad de Amsterdam), quien es coautor del nuevo artículo.