Científicos de la Universidad de Princeton y del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han desarrollado un nuevo método riguroso para modelar el disco de acreción que alimenta el agujero negro supermasivo en el centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea. El papel, publicado en línea en diciembre en la revista Cartas de revisión física , proporciona una base muy necesaria para la simulación de los procesos extraordinarios involucrados.

Los discos de acreción son nubes de plasma que orbitan y se arremolinan gradualmente en cuerpos masivos como los agujeros negros, campos gravitacionales intensos producidos por estrellas que colapsan a una pequeña fracción de su tamaño original. Estas estrellas colapsadas están limitadas por un "horizonte de eventos, "de la que ni siquiera la luz puede escapar. A medida que los discos de acreción fluyen hacia los horizontes de eventos, alimentan algunas de las fuentes de radiación electromagnética más brillantes y energéticas del universo.

Cuatro millones de veces la masa del sol

El colosal agujero negro en el centro de la Vía Láctea, llamado "Sagitario A *" porque se encuentra en la constelación de Sagitario, tiene una masa gravitacional cuatro millones de veces mayor que nuestro propio sol. Sin embargo, el plasma del disco de acreción que gira en espiral hacia esta masa es "radiativamente ineficiente, "lo que significa que emite mucha menos radiación de la que cabría esperar.

"Entonces la pregunta es, ¿Por qué este disco está tan inactivo? ", pregunta Matthew Kunz, autor principal del artículo, profesor asistente de ciencias astrofísicas en la Universidad de Princeton y físico en PPPL. Los coautores incluyen a James Stone, Profesor de ciencias astrofísicas de Princeton, y Eliot Quataert, director de astrofísica teórica de la Universidad de California, Berkeley.

Para desarrollar un método para encontrar la respuesta, los investigadores consideraron la naturaleza del disco de acreción supercaliente Sagitario A *. Su plasma es tan caliente y diluido que no tiene colisiones, lo que significa que las trayectorias de protones y electrones dentro del plasma rara vez se cruzan.

Esta falta de colisión distingue al disco de acreción Sagitario A * de los discos más brillantes y radiantes que orbitan otros agujeros negros. Los discos más brillantes son de colisión y pueden modelarse mediante fórmulas que datan de la década de 1990, que tratan el plasma como un fluido conductor de electricidad. Pero "tales modelos son inapropiados para la acumulación en nuestro agujero negro supermasivo, "Kunz dijo, ya que no pueden describir el proceso que hace que el disco Sagitario A * sin colisiones se vuelva inestable y descienda en espiral.

Rastreo de partículas sin colisiones

Para modelar el proceso para el disco Sagittarius A *, el artículo reemplaza las fórmulas que tratan el movimiento de plasmas de colisión como un fluido macroscópico. En lugar de, los autores utilizan un método que los físicos llaman "cinético" para rastrear sistemáticamente las trayectorias de las partículas individuales sin colisión. Este enfoque complejo, realizado utilizando el código informático de Pegasus desarrollado en Princeton por Kunz, Stone y Xuening Bai, ahora profesor en la Universidad de Harvard, produjo un conjunto de ecuaciones capaces de modelar mejor el comportamiento del disco que orbita el agujero negro supermasivo.

Este enfoque cinético podría ayudar a los astrofísicos a comprender qué causa que la región del disco de acreción alrededor del agujero A * de Sagitario irradie tan poca luz. Los resultados también podrían mejorar la comprensión de otras cuestiones clave, como cómo se comportan los plasmas magnetizados en ambientes extremos y cómo se pueden amplificar los campos magnéticos.

El objetivo del nuevo método, dijo Kunz, "será producir modelos más predictivos de la emisión de la acreción de un agujero negro en el centro galáctico para compararlos con las observaciones astrofísicas". Tales observaciones provienen de instrumentos como el observatorio de rayos X Chandra, un satélite en órbita terrestre que la NASA lanzó en 1999, y el próximo Event Horizon Telescope, una serie de nueve radiotelescopios terrestres ubicados en países de todo el mundo.