Una nueva investigación revela que los agujeros negros supermasivos consumen la materia circundante más rápido de lo que se pensaba. Esta idea, derivada de simulaciones de alta resolución, podría explicar por qué los quásares explotan y se desvanecen tan rápidamente.

Un nuevo Northwestern UniversityUn estudio liderado por esta ciencia está cambiando la forma en que los astrofísicos entienden los hábitos de alimentación de los agujeros negros supermasivos.

Si bien investigadores anteriores habían planteado la hipótesis de que los agujeros negros se alimentan lentamente, nuevas simulaciones indican que los agujeros negros devoran alimentos mucho más rápido de lo que sugieren las ideas convencionales.

El estudio fue publicado el 20 de septiembre en EL Revista de Astrofísica.

Información de simulación

Según nuevas simulaciones 3D de alta resolución, los agujeros negros giratorios tuercen el espacio-tiempo circundante y, en última instancia, desgarran el violento remolino de gas (o disco de acreción) que los rodea y alimenta. Esto da como resultado que el disco se rompa en subdiscos internos y externos. Los agujeros negros devoran primero el anillo interior. Luego, los desechos del subdisco exterior fluyen hacia adentro para llenar el espacio dejado por el anillo interior completamente consumido y el proceso de consumo se repite.

Un ciclo del proceso de comer-saciarse-comer continuamente repetido dura sólo unos pocos meses, un período de tiempo increíblemente rápido en comparación con los cientos de años propuestos anteriormente por los investigadores.

Este nuevo descubrimiento podría ayudar a explicar el espectacular comportamiento de algunos de los objetos más brillantes del cielo nocturno, incluidos los quásares, que repentinamente estallan y luego desaparecen sin explicación.

Esta imagen de una simulación muestra cómo el disco de acreción de un agujero negro supermasivo puede dividirse en dos subdiscos, que están desalineados en esta imagen. Crédito: Nick Kaaz/Universidad Northwestern

«La teoría clásica del disco de acreción predice que el disco evoluciona lentamente», dijo Nick Kaaz de Northwestern, quien dirigió el estudio. “Pero algunos quásares –que resultan de agujeros negros que consumen gas de sus discos de acreción– parecen cambiar dramáticamente a lo largo de meses o incluso años. Esta variación es tan drástica. Parece que la parte interna del disco, de donde proviene la mayor parte de la luz, se destruye y luego se vuelve a armar. La teoría clásica de los discos de acreción no puede explicar esta drástica variación. Pero los fenómenos observados en nuestras simulaciones podrían explicar esto. El rápido brillo y desvanecimiento es consistente con la destrucción de las regiones internas del disco.

Kaaz es un estudiante de posgrado en astronomía en la Facultad de Artes y Ciencias Weinberg de Northwestern y miembro del Centro de Exploración e Investigación Interdisciplinaria en Astrofísica (CIERA). Kaaz cuenta con el asesoramiento del coautor del artículo, Alexander Tchekhovskoy, profesor asociado de física y astronomía en Weinberg y miembro de CIERA.

Suposiciones equivocadas

Los discos de acreción que rodean los agujeros negros son objetos físicamente complejos, lo que los hace increíblemente difíciles de modelar. La teoría convencional ha luchado por explicar por qué estos discos brillan tanto y luego de repente se atenúan, a veces hasta el punto de desaparecer por completo.

Investigadores anteriores asumieron incorrectamente que los discos de acreción estaban relativamente ordenados. En estos modelos, el gas y las partículas giran alrededor del agujero negro — en el mismo plano que el agujero negro y en la misma dirección de rotación del agujero negro. Luego, en una escala de tiempo que oscila entre cientos y varios cientos de miles de años, las partículas de gas se precipitan gradualmente hacia el agujero negro para alimentarlo.

“Cómo llega el gas a un agujero negro para alimentarlo es la cuestión central de la física de los discos de acreción. Si sabes cómo sucede esto, te dirá cuánto mide el disco, qué tan brillante es y cómo debería verse la luz cuando lo observamos con telescopios.
— Nick Kaaz, autor principal

«Durante décadas, la gente asumió que los discos de acreción estaban alineados con la rotación del agujero negro», dijo Kaaz. “Pero el gas que alimenta estos agujeros negros no necesariamente sabe en qué dirección gira el agujero negro, entonces ¿por qué se alinearían automáticamente? Cambiar la alineación cambia drásticamente la imagen.

La simulación de los investigadores, que es una de las simulaciones de discos de acreción de mayor resolución hasta la fecha, indica que las regiones que rodean el agujero negro son lugares mucho más desordenados y turbulentos de lo que se pensaba anteriormente.

Más como un giroscopio, menos como un plato.

Utilizando Summit, una de las supercomputadoras más grandes del mundo ubicada en el Laboratorio Nacional Oak Ridge, los investigadores realizaron una simulación magnetohidrodinámica relativista general (GRMHD) tridimensional de un disco de acreción delgado e inclinado. Si bien las simulaciones anteriores no fueron lo suficientemente potentes como para incluir toda la física necesaria para construir un agujero negro realista, el modelo dirigido por Northwestern incluye dinámica de gases, campos magnéticos y relatividad general para pintar una imagen más completa.

«Los agujeros negros son objetos de la relatividad general extrema que afectan el espacio-tiempo que los rodea», dijo Kaaz. “Entonces, cuando giran, arrastran el espacio a su alrededor como un carrusel gigante y lo obligan a girar también, un fenómeno llamado “arrastre de fotogramas”. Esto crea un efecto muy fuerte cerca del agujero negro, que se vuelve cada vez más débil a medida que nos alejamos de él.

El cambio de cuadro hace que todo el disco oscile en círculos, de forma similar a como lo precede un giroscopio. Pero el disco interior quiere oscilar mucho más rápido que las partes exteriores. Este desajuste de fuerzas hace que todo el disco se deforme, provocando que los gases de diferentes partes del disco choquen. Las colisiones crean ligeras sacudidas que acercan violentamente la materia al agujero negro.

A medida que aumenta la deformación, la región más interna del disco de acreción continúa oscilando cada vez más rápido hasta que se separa del resto del disco. Luego, según las nuevas simulaciones, los subdiscos comienzan a evolucionar independientemente unos de otros. En lugar de moverse suavemente como una placa plana que rodea el agujero negro, los subdiscos se tambalean de forma independiente a diferentes velocidades y ángulos, como las ruedas de un giroscopio.

«Cuando el disco interno se rompe, precederá de forma independiente», dijo Kaaz. «Se está moviendo más rápido porque está más cerca del agujero negro y porque es pequeño, por lo que es más fácil moverse».

“Donde gana el agujero negro”

Según la nueva simulación, la región de desgarro, donde los subdiscos internos y externos se desconectan, es donde realmente comienza el frenesí alimentario. Mientras que la fricción intenta mantener unido el disco, la torsión en el espacio-tiempo causada por el agujero negro que gira quiere destrozarlo.

«Existe una competencia entre la rotación del agujero negro y la fricción y presión dentro del disco», dijo Kaaz. “La región de lágrima es donde gana el agujero negro. Los discos interior y exterior chocan. El disco exterior elimina capas del disco interior, empujándolo hacia adentro.

Ahora los subdiscos se cruzan en diferentes ángulos. El disco exterior vierte material sobre el disco interior. Esta masa adicional también empuja el disco interno hacia el agujero negro, donde es devorado. Luego, la propia gravedad del agujero negro atrae gas desde la región exterior hacia la región interior, ahora vacía, para llenarlo.

La conexión del cuásar

Kaaz dijo que estos rápidos ciclos de comer, llenarse y comer explican potencialmente lo que se llama cuásares que «cambian la apariencia». Los cuásares son objetos extremadamente luminosos que emiten 1.000 veces más energía que todo el espacio. vía LácteaSon entre 200 y 400 mil millones de estrellas. Los quásares que cambian de apariencia son aún más extremos. Parecen encenderse y apagarse durante un período de meses, una pequeña cantidad de tiempo para un quásar típico.

Aunque la teoría clásica ha formulado hipótesis sobre la rapidez con la que los discos de acreción evolucionan y cambian de brillo, las observaciones de los quásares que cambian de aspecto indican que en realidad evolucionan mucho más rápidamente.

«La región interna de un disco de acreción, de donde proviene la mayor parte del brillo, puede desaparecer por completo, muy rápidamente en unos pocos meses», dijo Kaaz. “Básicamente estamos viendo que esto desaparece por completo. El sistema deja de ser brillante. Luego se aclara nuevamente y se repite el proceso. La teoría convencional no tiene forma de explicar por qué desaparece en primer lugar, ni tampoco explica cómo se llena tan rápidamente. »

Las nuevas simulaciones no sólo podrían explicar los quásares, sino que también podrían responder preguntas actuales sobre la misteriosa naturaleza de los agujeros negros.

«Cómo llega el gas a un agujero negro para alimentarlo es la cuestión central de la física de los discos de acreción», dijo Kaaz. «Si sabes cómo sucede esto, sabrás cuánto mide el disco, qué tan brillante es y cómo debería verse la luz cuando lo observamos con telescopios».

Referencia: “Los impactos de las boquillas, el desgarro del disco y las serpentinas impulsan una rápida acumulación en simulaciones 3D GRMHD de discos delgados deformados” por Nicholas Kaaz, Matthew TP Liska, Jonatan Jacquemin-Ide, Zachary L. Andalman, Gibwa Musoke, Alexander Tchekhovskoy y Oliver Porth. 20 de septiembre de 2023, La revista de astrofísica.
DOI: 10.3847/1538-4357/ace051

El estudio fue apoyado por el Departamento de Energía de EE. UU. y la Fundación Nacional de Ciencias.