En el pasado, las simulaciones 3D de la dinámica de agujeros negros han modelado plasma hecho de electrones y positrones como un continuo. Recientemente, y por primera vez, un equipo de astrofísicos ha calculado cómo las partículas individuales de materia y antimateria se arremolinan alrededor de un agujero negro giratorio.
Las nuevas simulaciones por ordenador proporcionan una visión crucial de cómo un agujero negro dispara chorros de materia a una velocidad casi ligera. Los resultados del equipo apoyan dos mecanismos propuestos anteriormente para cómo se alimentan los misteriosos flujos de partículas.
La nueva técnica de simulación también podría ayudar a los astrofísicos a interpretar datos de una matriz global de radiotelescopios que están observando el agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea.
Según Serguie Komissarov, un astrofísico de la Universidad de Leeds, Reino Unido, los resultados son un «hito» en el estudio de los agujeros negros.
Los chorros de materia de alta energía son comunes a través del cosmos y parecen emanar de una variedad de fuentes, aunque todavía no hay evidencia directa sobre cómo se forman. En nuestra galaxia, muchas estrellas de neutrones producen estos chorros, al igual que algunos agujeros negros relativamente pequeños, aquellos no mucho más masivos que el Sol, que están en proceso de absorber la materia. Los astrofísicos piensan que algunos agujeros negros supermasivos en los centros de otras galaxias están detrás de espectaculares chorros que se extienden durante miles de años luz, como los vistos alrededor de la galaxia Messier 87.
En el caso de pequeños agujeros negros, los chorros parecen contener una fina neblina de electrones y su antimateria – positrones – fluyendo como plasma a velocidades muy altas.
Los modelos existentes de comportamiento de agujero negro indican que los pares de partículas y antipartículas se producen dentro de campos magnéticos y eléctricos de alta intensidad que se arremolinan cerca del horizonte de sucesos de un agujero negro que es la superficie esférica de la que nada puede escapar después de cruzar. La mayoría de estas partículas caen en el agujero negro.
Los chorros se forman cerca de los polos magnéticos del agujero negro, donde trenzas caóticas de campos magnéticos retorcidos se disparan al espacio interestelar. Según la explicación prevaleciente, estos campos llevarían parte de la energía y el impulso rotacional del agujero negro, así como crearmás electrones y positrones.
Los resultados del equipo muestran corrientes turbulentas de positrones y electrones moviéndose en direcciones opuestas entre sí, ya que ambos se arremolinan en un disco alrededor del ecuador del agujero negro. Las corrientes hacen que la energía salga de las regiones polares.
«Lo más importante de los chorros en general no es el plasma, sino una gran cantidad de energía que sale en el campo electromagnético», dice el coautor Kyle Parfrey, un astrofísico del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland. «Vemos que esto sucede.»
Pero en este estudio, Parfrey y sus colaboradores incluyeron partículas individuales en sus simulaciones y observaron cómo sus movimientos se entrelazaban con los campos magnéticos y eléctricos y contribuyeron a alimentarlos.
El estudio también encontró apoyo para un segundo mecanismo que explica cómo se extrae la energía de un agujero negro giratorio, un mecanismo que fue propuesto por primera vez por el físico matemático británico Roger Penrose en la década de 1960. Según el modelo de Penrose, algunas de las partículas creadas cerca del ecuador del agujero negro tienen energía negativa, por lo que cuando caen en el agujero negro, ralentizan su rotación. Este fenómeno hipotético recuerda a la «radiación de Halcón» que también fue propuesta por el difunto Stephen Hawking, en el que las partículas de energía negativa contribuyen a reducir la masa de un agujero negro.
El coautor Benoét Cerutti, de la Universidad de Grenoble Alpes, en Francia, dice que el Telescopio Event Horizon, una red de antenas de radio que abarca todo el mundo que va a ofrecer sus primeros resultados este año, podría proporcionar algunos detalles emocionantes sobre cómo se mueve el plasma alrededor del agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea, así como el del centro de Messier 87. «Mi esperanza es que pronto tengamos más limitaciones observacionales», dice Cerutti.
Según Parfrey, las nuevas simulaciones siguen incompletas. En particular, no incluyen la física detallada de cómo se crean partículas y antipartículas, o del disco de acreción —el flujo de material alrededor del agujero negro— que se cree que alimenta los campos electromagnéticos en primer lugar. Un agujero negro dejado aislado de la materia disipará rápidamente estos campos y se asentará en un estado silencioso y oscuro sin chorros de plasma disparando.
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