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| Un nuevo estudio demuestra que, al arrastrar el espacio-tiempo, los agujeros negros supermasivos pueden desgarrar el violento remolino de escombros (o discos de acreción) que los rodea, dando lugar a un subdisco interior y otro exterior. Crédito: Nick Kaaz/Northwestern University |
Según la hipótesis anterior, los agujeros negros comen lentamente. Pero, un
nuevo estudio de la Universidad Northwestern la contradice, sugiriendo que los
agujeros negros escarban comida mucho más rápido de lo esperado. El estudio
cambia la comprensión de los astrofísicos sobre los hábitos alimenticios de
los agujeros negros supermasivos.
Los científicos crearon nuevas simulaciones en 3D de alta resolución de los
discos de acreción. Se trata de una de las simulaciones de discos de acreción
de mayor resolución realizadas hasta la fecha.
Las simulaciones sugieren que el furioso remolino de gas (o disco de acreción)
que rodea y alimenta a los agujeros negros giratorios acaba desgarrándose por
las distorsiones espacio-temporales causadas por la rotación del agujero
negro. Debido a ello, el disco se divide en un subdisco interior y otro
exterior. Los agujeros negros consumen primero el anillo interior. A
continuación, el proceso de devoración se reanuda cuando los restos del
subdisco exterior se derraman hacia el interior para llenar el espacio dejado
por el anillo interior completamente devorado.
En contraste con los cientos de años que sugerían estudios anteriores, un
ciclo del proceso de comer-refrescar-comer, que se repite continuamente, sólo
dura unos meses.
Nick Kaaz, de Northwestern, que dirigió el estudio, declaró: "La teoría
clásica de los discos de acreción predice que el disco evoluciona lentamente.
Pero algunos cuásares -que son el resultado de agujeros negros que devoran gas
de sus discos de acreción- parecen cambiar drásticamente en escalas temporales
de meses a años. Esta variación es tan drástica. Parece como si la parte
interior del disco -de donde procede la mayor parte de la luz- se destruyera y
luego se repusiera. La teoría clásica de los discos de acreción no puede
explicar esta drástica variación. Pero los fenómenos que observamos en
nuestras simulaciones podrían explicarlo. Los rápidos brillos y
oscurecimientos son coherentes con la destrucción de las regiones internas del
disco".
En el pasado, los científicos suponían que los discos de acreción suelen estar
bien organizados. Estos modelos describían el gas y las partículas girando en
el mismo plano que el agujero negro y rotando en la misma dirección que éste.
A continuación, los átomos de gas se dirigen progresivamente en espiral hacia
el agujero negro a lo largo de cientos o miles de años para alimentarlo.
Según Kaaz, "durante décadas se ha supuesto que los discos de acreción estaban
alineados con la rotación del agujero negro. Pero el gas que alimenta estos
agujeros negros no sabe necesariamente cómo gira el agujero negro, así que
¿por qué iban a estar alineados automáticamente? Cambiar la alineación cambia
drásticamente el panorama".
Contrariamente a teorías anteriores, la nueva simulación indica que las
regiones que rodean al agujero negro son significativamente más desordenadas y
turbulentas.
Los científicos utilizaron Summit -uno de los mayores superordenadores del
mundo en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge- para llevar a cabo una
simulación tridimensional de magnetohidrodinámica relativista general (GRMHD)
de un disco de acreción delgado e inclinado. El nuevo modelo incluye la
dinámica del gas, los campos magnéticos y la relatividad general para
ensamblar una imagen completa.
La rotación de un agujero negro arrastra el espacio circundante como un
carrusel gigante y lo obliga a girar también. Este fenómeno se conoce como
arrastre de marco, que crea un potente efecto cerca del agujero negro que se
debilita más lejos.
El arrastre de tramas hace que todo el disco se balancee como un giroscopio.
Sin embargo, el disco interior tiende más a tambalearse que las partes
exteriores. Debido a este desequilibrio de fuerzas, todo el disco se deforma,
lo que provoca la colisión de gas procedente de diversas regiones del disco.
Los choques brillantes producidos por las colisiones empujan violentamente el
material hacia el agujero negro.
La parte más interna del disco de acreción continúa bamboleándose cada vez más
rápido hasta que se separa del resto del disco a medida que empeora el alabeo.
Los nuevos modelos predicen entonces que las subtareas comienzan a evolucionar
de forma independiente. Las subtareas se bambolean por separado a distintas
velocidades y ángulos, como las ruedas de un giroscopio, en lugar de moverse
juntas suavemente como una placa plana que encierra el agujero negro.
La nueva simulación sugiere que el frenesí de alimentación comienza en la
región de desgarramiento, donde los subdiscos interior y exterior se
desconectan. La fricción trabaja para mantener el disco unido, pero la torsión
espacio-temporal del agujero negro desea desgarrarlo.
Según Kaaz, "existe una competencia entre la rotación del agujero negro y la
fricción y presión en el interior del disco. En la región de desgarramiento es
donde gana el agujero negro. Los discos interior y exterior chocan entre sí.
El disco exterior afeita capas del disco interior, empujándolo hacia dentro".
Las subtareas se cruzan ahora en varios ángulos. Se vierte material sobre el
disco interior desde el disco exterior. Esta masa adicional empuja el disco
interior hacia el agujero negro, donde es engullido. El gas de la región
interior, ahora vacía, se vuelve a llenar por la gravedad del agujero negro,
que atrae hacia sí el gas de la región exterior.
Según Kaaz, estos ciclos rápidos de comer-refrescar-comer podrían explicar
los llamados cuásares de "aspecto cambiante". Los cuásares son objetos
extremadamente luminosos que emiten 1.000 veces más energía que los 200.000
a 400.000 millones de estrellas de la Vía Láctea. Los cuásares de aspecto
cambiante son aún más extremos. Parecen encenderse y apagarse a lo largo de
meses, un periodo de tiempo minúsculo para un cuásar típico.
"La región interior de un disco de acreción, de donde procede la mayor parte
del brillo, puede desaparecer rápidamente a lo largo de meses. Vemos cómo
desaparece por completo. El sistema deja de ser brillante. Después, vuelve a
brillar, y el proceso se repite. La teoría convencional no tiene ninguna
forma de explicar por qué desaparece en primer lugar, y no explica cómo se
rellena tan rápidamente".
Además de una posible explicación de los cuásares, las nuevas simulaciones
también pueden aportar nuevos conocimientos sobre las desconcertantes
propiedades de los agujeros negros.
Kaaz afirma: "Cómo llega el gas a un agujero negro para alimentarlo es la
cuestión central de la física de los discos de acreción. Saber cómo ocurre
nos dirá cuánto dura el disco, lo brillante que es y cómo debería ser la luz
cuando lo observemos con telescopios".
Fuentes, créditos y referencias:
On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2210.10053