Un equipo internacional ha construido el más detallado, simulación de mayor resolución de un agujero negro hasta la fecha. La simulación demuestra predicciones teóricas sobre la naturaleza de los discos de acreción, la materia que orbita y finalmente cae en un agujero negro, que nunca antes se habían visto.

La investigación se publicará el 5 de junio en el Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society .

Entre los hallazgos, el equipo de astrofísicos computacionales de la Universidad Northwestern, la Universidad de Amsterdam y la Universidad de Oxford encontraron que la región más interna de un disco de acreción se alinea con el ecuador de su agujero negro.

Este descubrimiento resuelve un misterio de larga data, presentado originalmente por el físico ganador del Premio Nobel John Bardeen y el astrofísico Jacobus Petterson en 1975. En ese momento, Bardeen y Petterson argumentaron que un agujero negro giratorio haría que la región interna de un disco de acreción inclinado se alineara con el plano ecuatorial de su agujero negro.

Después de décadas, carrera global para encontrar el llamado efecto Bardeen-Petterson, la simulación del equipo encontró que, mientras que la región exterior de un disco de acreción permanece inclinada, La región interna del disco se alinea con el agujero negro. Una urdimbre suave conecta las regiones interior y exterior. El equipo resolvió el misterio adelgazando el disco de acreción a un grado sin precedentes e incluyendo la turbulencia magnetizada que hace que el disco se acreta. Las simulaciones anteriores hicieron una simplificación sustancial simplemente aproximando los efectos de la turbulencia.

"Este descubrimiento pionero de la alineación Bardeen-Petterson cierra un problema que ha perseguido a la comunidad astrofísica durante más de cuatro décadas, "dijo Alexander Tchekhovskoy de Northwestern, quien codirigió la investigación. "Estos detalles alrededor del agujero negro pueden parecer pequeños, pero impactan enormemente lo que sucede en la galaxia en su conjunto. Controlan qué tan rápido giran los agujeros negros y, como resultado, qué efecto tienen los agujeros negros en todas sus galaxias ".

Tchekhovskoy es profesor asistente de física y astronomía en la Facultad de Artes y Ciencias Weinberg de Northwestern y miembro de CIERA (Centro de Exploración e Investigación Interdisciplinaria en Astrofísica), un centro de investigación dotado en Northwestern enfocado en el avance de los estudios de astrofísica con énfasis en las conexiones interdisciplinarias. Matthew Liska, investigador del Instituto de Astronomía Anton Pannenkoek de la Universidad de Ámsterdam, es el primer autor del artículo.

"Estas simulaciones no solo resuelven un problema de hace 40 años, pero han demostrado que, contrario al pensamiento típico, es posible simular los discos de acreción más luminosos en plena relatividad general, ", Dijo Liska." Esto allana el camino para una próxima generación de simulaciones, que espero resuelva problemas aún más importantes relacionados con los discos de acreción luminosa ".

Alineación esquiva

Casi todo lo que los investigadores saben sobre los agujeros negros se ha aprendido mediante el estudio de los discos de acreción. Sin el anillo de gas intensamente brillante, polvo y otros escombros estelares que se arremolinan alrededor de los agujeros negros, los astrónomos no podrían detectar un agujero negro para estudiarlo. Los discos de acreción también controlan el crecimiento y la velocidad de rotación de un agujero negro, por lo que comprender la naturaleza de los discos de acreción es clave para comprender cómo evolucionan y funcionan los agujeros negros.

"La alineación afecta la forma en que los discos de acreción aprietan sus agujeros negros, ", Dijo Tchekhovskoy. Por lo tanto, afecta la forma en que el giro de un agujero negro evoluciona con el tiempo y lanza flujos de salida que impactan la evolución de sus galaxias anfitrionas".

Desde Bardeen y Petterson hasta la actualidad, las simulaciones se han simplificado demasiado para encontrar la alineación histórica. Dos cuestiones principales han actuado como una barrera para los astrofísicos computacionales. Para uno, los discos de acreción se acercan tanto al agujero negro que se mueven a través del espacio-tiempo deformado, que se precipita hacia el agujero negro a una velocidad inmensa. Complicando aún más las cosas, La rotación del agujero negro obliga al espacio-tiempo a girar a su alrededor. Para explicar adecuadamente estos dos efectos cruciales se requiere la relatividad general, La teoría de Albert Einstein que predice cómo los objetos afectan la geometría del espacio-tiempo a su alrededor.

Segundo, Los astrofísicos no han tenido poder de cálculo para explicar la turbulencia magnética, o la agitación dentro del disco de acreción. Esta agitación es lo que hace que las partículas del disco se mantengan juntas en una forma circular y lo que hace que el gas finalmente caiga en el agujero negro.

"Imagina que tienes este disco delgado. Entonces, encima de eso, tienes que resolver los movimientos turbulentos dentro del disco, ", Dijo Tchekhovskoy." Se convierte en un problema realmente difícil ".

Sin poder resolver estas características, Los científicos computacionales no pudieron simular agujeros negros realistas.

Rompiendo el código

Para desarrollar un código capaz de realizar simulaciones de discos de acreción titulados alrededor de agujeros negros, Liska y Tchekhovskoy utilizaron unidades de procesamiento gráfico (GPU) en lugar de unidades de procesamiento central (CPU). Extremadamente eficiente en la manipulación de gráficos por computadora y procesamiento de imágenes, Las GPU aceleran la creación de imágenes en una pantalla. Son mucho más eficientes que las CPU para algoritmos informáticos que procesan grandes cantidades de datos.

Tchekhovskoy compara las GPU con 1, 000 caballos y CPU a 1, Ferrari de 000 caballos de fuerza.

"Supongamos que necesita mudarse a un apartamento nuevo, ", explicó." Tendrás que hacer muchos viajes con este potente Ferrari porque no cabe en muchos boxes. Pero si pudieras poner una caja en cada caballo, Podrías mover todo de una vez. Esa es la GPU. Tiene muchos elementos, cada uno de los cuales es más lento que los de la CPU, pero hay muchos de ellos ".

Liska también agregó un método llamado refinamiento de malla adaptativa, que utiliza una malla dinámica, o cuadrícula, que cambia y se adapta al flujo de movimiento a lo largo de la simulación. Ahorra energía y potencia de la computadora al enfocarse solo en bloques específicos en la red donde ocurre el movimiento.

Las GPU aceleraron sustancialmente la simulación, y la malla adaptativa aumentó la resolución. Estas mejoras permitieron al equipo simular el disco de acreción más delgado hasta la fecha, con una relación altura-radio de 0,03. Cuando se simuló el disco así de delgado, los investigadores pudieron ver que la alineación ocurría justo al lado del agujero negro.

"Los discos más delgados simulados antes tenían una relación altura-radio de 0,05, y resulta que todas las cosas interesantes suceden en 0.03, ", Dijo Tchekhovskoy.

En un hallazgo sorpresa incluso con estos discos de acreción increíblemente delgados, el agujero negro aún emitía poderosos chorros de partículas y radiación.

"Nadie esperaba que estos discos produjeran chorros con espesores tan ligeros, ", Dijo Tchekhovskoy." La gente esperaba que los campos magnéticos que producen estos chorros simplemente atravesaran estos discos realmente delgados. Pero ahí están. Y eso en realidad nos ayuda a resolver los misterios de la observación ".