Los astrofísicos del MIPT han desarrollado un modelo para probar una hipótesis sobre los agujeros negros supermasivos en los centros de las galaxias. El nuevo modelo permite a los científicos predecir cuánta energía rotacional pierde un agujero negro cuando emite haces de materia ionizada conocidos como chorros astrofísicos. La pérdida de energía se estima en base a las mediciones del campo magnético de un chorro. El artículo fue publicado en la revista Fronteras en astronomía y ciencias espaciales .

Los astrofísicos han observado cientos de chorros relativistas, enormes salidas de materia emitidas por núcleos galácticos activos que albergan agujeros negros supermasivos. La materia en un chorro se acelera casi a la velocidad de la luz, de ahí el término "relativista". Los jets son colosales incluso según los estándares astronómicos, su longitud puede ser hasta varios por ciento del radio de la galaxia anfitriona, o alrededor de 300, 000 veces más grande que el agujero negro asociado.

Dicho eso todavía hay mucho que los investigadores no saben acerca de los jets. Los astrofísicos ni siquiera están seguros de qué están hechos porque las observaciones en chorro no producen líneas espectrales. El consenso actual sostiene que los chorros probablemente estén hechos de electrones y positrones o protones, pero siguen siendo un misterio. A medida que los investigadores obtienen nuevos datos, Un modelo más completo y autoconsistente de este fenómeno está emergiendo gradualmente.

La materia que orbita y cae sobre un agujero negro se denomina disco de acreción. Desempeña un papel crucial en la formación de chorros. Un agujero negro junto con su disco de acreción y chorros (fig.1), se cree que es la "máquina" más eficaz para convertir energía. Si definimos la eficiencia de tal sistema como la relación entre la energía transportada por los chorros y la energía de la materia acumulada, incluso puede superar el 100 por ciento.

Sin embargo, una mirada más cercana al sistema revela que la segunda ley de la termodinámica aún se mantiene. Esta no es una máquina de movimiento perpetuo. Resulta que parte de la energía del chorro proviene de la rotación del agujero negro. Es decir, accionando un jet, un agujero negro gira progresivamente más lento.

En cierto sentido, este aparente movimiento perpetuo se parece más a una bicicleta eléctrica. Existe un aparente desajuste entre la energía de entrada de la materia en acumulación:trabajo muscular, en el caso del motociclista, y la energía de salida del jet, o el movimiento de la bicicleta. En ambos casos, aunque, hay una fuente de energía oculta adicional, a saber, la batería que alimenta el motor eléctrico de la bicicleta y la rotación del agujero negro.

A través de la acreción, un agujero negro gana momento angular, es decir, comienza a girar más rápido. Los chorros se llevan parte de este exceso de momento angular en lo que se conoce como extracción de energía rotacional. Se observan efectos similares en estrellas jóvenes. Durante la formación de una estrella, captura la materia del disco de acreción, que tiene un enorme momento angular. Sin embargo, Las observaciones muestran que estas estrellas giran bastante lentamente. Todos los momentos angulares que faltan se utilizan para alimentar los chorros estrechos emitidos por estas estrellas.

Los científicos han desarrollado recientemente un nuevo método para medir los campos magnéticos en los chorros emitidos por los núcleos galácticos activos. En su papel La astrofísica Elena Nokhrina demostró que este método se puede utilizar para estimar la contribución de la rotación del agujero negro a la potencia del chorro. Hasta ahora, la fórmula para la canalización de la energía rotacional en la energía del chorro no ha sido probada empíricamente. Desafortunadamente, Hasta ahora no hay observaciones confiables que hayan capturado la tasa de rotación de los agujeros negros, lo cual es importante para estimar la pérdida de energía rotacional.

Un agujero negro no tiene un campo magnético propio. Sin embargo, un campo magnético vertical se genera a su alrededor por la materia ionizada en el disco de acreción. Para estimar la pérdida de energía rotacional por un agujero negro, los científicos necesitan encontrar el flujo magnético a través del límite alrededor de un agujero negro conocido como horizonte de eventos.

"Debido a que el flujo magnético se conserva, midiendo su magnitud en el chorro, también aprendemos el flujo magnético cerca del agujero negro. Conociendo la masa del agujero negro, podemos calcular la distancia desde su eje de rotación hasta el horizonte de eventos, su límite nocional. Esto nos permite estimar la diferencia de potencial eléctrico entre el eje de rotación y el límite del agujero negro. Teniendo en cuenta el cribado del campo eléctrico en plasma, es posible encontrar la corriente eléctrica cerca del agujero negro. Conociendo tanto la corriente como la diferencia de potenciales, podemos estimar la cantidad de energía perdida por el agujero negro debido a la ralentización de su rotación, "dice Elena Nokhrina, autor del artículo y subdirector del laboratorio de astrofísica relativista del MIPT.

Los cálculos apuntan hacia una correlación entre la potencia total de un chorro emitida por un agujero negro y la pérdida de energía rotacional por el agujero negro. Notablemente, este estudio hace uso de un modelo reciente de estructura de chorro (fig. 2). Antes de que este modelo fuera avanzado, researchers assumed jets to have homogeneous transverse structure, which is a simplification. En el nuevo modelo, the magnetic field of a jet is not homogeneous, enabling more accurate predictions.

Most of the galaxies hosting jets are too remote for the transverse structure of their magnetic fields to be discerned. So the experimentally measured magnetic field is compared with its model transverse structure to estimate the magnitude of the field's components. Only by taking transverse structure into account is it possible to test the mechanism of black hole rotation powering jets. De lo contrario, it would be necessary to know the rotation rate.

The hypothesis that was put to the test in the study states that jet power depends on the magnetic flux and the rotation rate of the black hole. This makes it possible to gauge to what extent a jet is powered by rotational energy. Notablemente, this theoretical work enables us to estimate how much rotational energy is lost by a black hole without knowing its rotation rate—using only the magnetic field measurements of the jet.