Esta representación ilustra la inestabilidad de la torsión magnética en chorros simulados que se emiten desde el centro de una galaxia. Se cree que los chorros están asociados con agujeros negros supermasivos. La línea del campo magnético (blanca) en cada chorro se retuerce a medida que gira el objeto central (agujero negro). A medida que los chorros entran en contacto con materia de mayor densidad, los campos magnéticos se acumulan y se vuelven inestables. Las curvas irregulares y las asimetrías de las líneas del campo magnético son sintomáticas de la inestabilidad de las torceduras. La inestabilidad disipa los campos magnéticos en calor con el cambio de densidad, llevándolos a estar menos apretados. Crédito:Berkeley Lab, Universidad de Purdue, NASA
Algunos de los estallidos más extremos observados en el universo son los misteriosos chorros de energía y materia que salen del centro de las galaxias a casi la velocidad de la luz. Estos chorros estrechos, que típicamente se forman en pares opuestos se cree que están asociados con agujeros negros supermasivos y otros objetos exóticos, aunque no se conocen bien los mecanismos que los impulsan y disipan.
Ahora, un pequeño equipo de investigadores ha desarrollado teorías respaldadas por simulaciones tridimensionales para explicar lo que está funcionando.
Encontrar causas comunes de inestabilidad en aviones espaciales
"Estos chorros son muy difíciles de explicar, "dijo Alexander" Sasha "Tchekhovskoy, un ex becario Einstein de la NASA que codirigió el nuevo estudio como miembro de la División de Ciencias Nucleares en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab), y los departamentos de Astronomía y Física y el Centro de Astrofísica Teórica de UC Berkeley. "¿Por qué son tan estables en algunas galaxias y en otras simplemente se desmoronan?"
Hasta la mitad de la energía de los chorros puede escapar en forma de rayos X y formas de radiación más fuertes. Los investigadores mostraron cómo dos mecanismos diferentes, ambos relacionados con la interacción de los chorros con la materia circundante, conocido como el "medio ambiente" - sirven para reducir aproximadamente la mitad de la energía de estos potentes chorros.
"La parte interesante de esta investigación es que ahora estamos llegando a comprender la gama completa de mecanismos de disipación que funcionan en el jet, "sin importar el tamaño o el tipo de chorro, él dijo.
Una animación que muestra inestabilidades del campo magnético en dos chorros de radiación y materia que emana de un agujero negro supermasivo (centro). El campo magnético (blanco) está torcido por el giro del agujero negro. Crédito:Berkeley Lab, Universidad de Purdue
El estudio que Tchekhovskoy codirigió con los científicos de la Universidad de Purdue, Rodolfo Barniol Duran y Dimitrios Giannios, se publica en la edición del 21 de agosto de Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society . El estudio concluye que el medio ambiente en sí tiene mucho que ver con la forma en que los chorros liberan energía.
"Finalmente pudimos simular chorros que parten del agujero negro y se propagan a distancias muy grandes, donde chocan con el medio ambiente, "dijo Duran, anteriormente un asociado de investigación postdoctoral en la Universidad de Purdue que ahora es miembro de la facultad de la Universidad Estatal de California, Sacramento.
Tchekhovskoy, que ha estudiado estos jets durante más de una década, dijo que un efecto conocido como estabilidad de torsión magnética, lo que provoca una curva repentina en la dirección de algunos chorros, y otro efecto que desencadena una serie de choques dentro de otros jets, parecen ser los principales mecanismos de liberación de energía. La densidad del medio ambiental que encuentran los chorros sirve como el disparador clave para cada tipo de mecanismo de liberación.
"Por mucho tiempo, Hemos especulado que los choques e inestabilidades desencadenan las espectaculares pantallas de luz de los jets. Ahora bien, estas ideas y modelos pueden basarse en una base teórica mucho más firme, "dijo Giannios, profesor asistente de física y astronomía en Purdue.
La longitud y la intensidad de los chorros pueden iluminar las propiedades de sus agujeros negros asociados, como su edad y tamaño y si se están "alimentando" activamente de la materia circundante. Los chorros más largos se extienden por millones de años luz en el espacio circundante.
"Cuando miramos los agujeros negros, lo primero que notamos son las rayas centrales de estos chorros. Puede hacer imágenes de estas rayas y medir sus longitudes, anchos, y velocidades para obtener información desde el mismo centro del agujero negro, "Tchekhovskoy señaló." Los agujeros negros tienden a comer en atracones de decenas y cientos de millones de años. Estos chorros son como los 'eructos' de los agujeros negros:están determinados por la dieta y la frecuencia de alimentación de los agujeros negros ".
Esta animación muestra la propagación de un chorro de radiación de alta energía y materia de un agujero negro (en la base de la animación) en una simulación, en cuatro puntos de tiempo diferentes. Los cuadros muestran lo que sucede cuando el chorro entra en contacto con la materia más densa a medida que se extiende hacia el espacio circundante. Crédito:Berkeley Lab, Universidad de Purdue
Si bien nada, ni siquiera la luz, puede escapar del interior de un agujero negro, los chorros de alguna manera logran extraer su energía del agujero negro. Los jets son impulsados por una especie de truco contable, él explicó, como escribir un cheque por un monto negativo y que aparezca dinero en su cuenta. En el caso del agujero negro son las leyes de la física, más que una laguna bancaria, las que permiten que los agujeros negros arrojen energía y materia incluso mientras succionan la materia circundante.
La increíble fricción y calentamiento de los gases en espiral hacia el agujero negro provocan temperaturas extremas y compresión en los campos magnéticos. resultando en una reacción enérgica y una salida de radiación que escapa a la fuerte atracción del agujero negro.
Una historia de torceduras magnéticas y choques secuenciados
Estudios anteriores habían demostrado cómo pueden ocurrir inestabilidades magnéticas (torceduras) en los chorros cuando los chorros chocan contra el medio ambiente. Esta inestabilidad es como un resorte magnético. Si aprieta el resorte de ambos extremos entre los dedos, el resorte volará hacia los lados de tu mano. Igualmente, un chorro que experimenta esta inestabilidad puede cambiar de dirección cuando choca contra la materia fuera del alcance del agujero negro.
El mismo tipo de inestabilidad frustró a los científicos que trabajaban en las primeras máquinas que intentaron crear y aprovechar una supercaliente, estado cargado de la materia conocido como plasma en un esfuerzo por desarrollar energía de fusión, que alimenta el sol. Los chorros espaciales también conocidos como chorros de núcleos galácticos activos (AGN), también son una forma de plasma.
El último estudio encontró que en los casos en que un chorro anterior había "perforado previamente" un agujero en el medio ambiente que rodea un agujero negro y la materia impactada por el chorro recién formado era menos densa, un proceso diferente está funcionando en forma de choques de "recolimación".
Comparación lado a lado de las "instantáneas" de densidad producidas en una simulación 3D de chorros que salen de un agujero negro (en la base de las imágenes). El rojo muestra una mayor densidad y el azul muestra una menor densidad. Las líneas direccionales negras muestran líneas de corriente del campo magnético. The perturbed magnetic lines reflect both the emergence of irregular magnetic fields in the jets and the large-scale deviations of the jets out of the image plane, both caused by the 3D magnetic kink instability. Credit:Berkeley Lab, Purdue University
These shocks form as matter and energy in the jet bounce off the sides of the hole. The jet, while losing energy from every shock, immediately reforms a narrow column until its energy eventually dissipates to the point that the beam loses its tight focus and spills out into a broad area.
"With these shocks, the jet is like a phoenix. It comes out of the shock every time, " though with gradually lessening energy, Tchekhovskoy said. "This train of shocks cumulatively can dissipate quite a substantial amount of the total energy."
The researchers designed the models to smash against different densities of matter in the ambient medium to create instabilities in the jets that mimic astrophysical observations.
Peering deeper into the source of jets
Nuevo, higher-resolution images of regions in space where supermassive black holes are believed to exist – from the Event Horizon Telescope (EHT), for example – should help to inform and improve models and theories explaining jet behavior, Tchekhovskoy said, and future studies could also include more complexity in the jet models, such as a longer sequence of shocks.
"It would be really interesting to include gravity into these models, " él dijo, "and to see the dynamics of buoyant cavities that the jet fills up with hot magnetized plasma as it drills a hole" in the ambient medium.
Él agregó, "Seeing deeper into where the jets come from – we think the jets start at the black hole's event horizon (a point of no return for matter entering the black hole) – would be really helpful to see in nature these 'bounces' in repeating shocks, por ejemplo. The EHT could resolve this structure and provide a nice test of our work."
