Cómo un agujero negro impulsa chorros de plasma

Simulation of a rotating black hole. Credit: K. Parfrey et al./Physical Review Letters 2019

Nuevas simulaciones revelan cómo las interacciones entre los campos magnéticos y las partículas dañan la energía de un agujero negro 

Los agujeros negros consumen todo lo que cae dentro de su alcance, sin embargo, los astrónomos han descubierto chorros de partículas que huyen de los agujeros negros casi a la velocidad de la luz. Las nuevas simulaciones por ordenador han revelado qué les da a estas partículas tal velocidad: un robo cósmico. 

Los escapes de partículas roban parte de la energía rotacional del agujero negro girando, logrando esto a través de dos mecanismos principales que involucran campos magnéticos, informan los creadores de las simulaciones en la edición del 25 de enero de Physical Review Letters. 

A medida que un agujero negro gira, su masa densa distorsiona y retuerce el tejido circundante del espacio y el tiempo. Las simulaciones muestran que los campos magnéticos en los polos del agujero negro se enrollan y saltan hacia afuera, arrojando chorros de partículas al espacio. En el ecuador, los campos magnéticos se colapsan en grupos. Este enredo crea áreas que actúan como aceleradores de partículas, impulsando algunas partículas en los bordes de los chorros polares a altas velocidades y otras hacia las fauces del agujero negro. 

Los resultados son la visión más detallada hasta ahora de los procesos que potencian los chorros de un agujero negro, según el coautor del estudio Alexander Philippov, un científico investigador asociado en el Instituto de Flatiron del Centro de Astrofísica Computacional en la ciudad de Nueva York. "Nadie ha podido presionar estas simulaciones con tanta fuerza en el espacio-tiempo curvo", dice Philippov, quien trabajó en el proyecto junto a Kyle Parfrey del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y Benoît Cerutti de la Université Grenoble Alpes en Francia. 

Esta simulación de un agujero negro giratorio (centro) revela los procesos que impulsan sus chorros (arriba y abajo). La simulación comienza en un estado inicial sin plasma y, a medida que avanza, se crean partículas y la rotación del agujero negro se tuerce y contorsiona el campo magnético (líneas negras). Crédito: Crédito: K. Parfrey et al./Physical Review Letters 2019

Los próximos lanzamientos de datos de misiones de observación como el Telescopio Horizonte de Eventos pondrán a prueba las simulaciones, dice Philippov. Ese telescopio se enfoca en el agujero negro supermasivo que habita el corazón de la galaxia Vía Láctea y está diseñado para capturar imágenes de las regiones donde se forma el chorro. 

El seguimiento de la formación de chorros es complicado debido a la complejidad de la física involucrada. Los agujeros negros doblan el espacio-tiempo y generan poderosos campos magnéticos. Las partículas en las afueras del agujero negro se deslizan sin ataduras de los átomos en un estado de materia llamado plasma. Pueden surgir nuevas partículas, como los pares de electrones y sus agentes doppelgangers de antimateria conocidos como positrones. 

Los intentos anteriores de comprender la fuente de los chorros de un agujero negro utilizaban un modelo simplificado de plasma. Parfrey, Philippov y Cerutti en cambio emplearon nuevas técnicas numéricas que proporcionan la primera representación de plasma sin colisión alrededor de un agujero negro. En un plasma sin colisión, las partículas individuales no se topan entre sí con la frecuencia suficiente para ser tratadas de manera uniforme y representadas de manera simplista. 

Las nuevas simulaciones comienzan con un agujero negro giratorio rodeado de campos magnéticos intensos. Alrededor de los márgenes del agujero negro, las simulaciones crean pares de electrones y positrones. Debido a que estas partículas tienen una carga eléctrica, son arrastradas por campos electromagnéticos. 

A medida que avanzan las simulaciones, un mecanismo predicho previamente llamado proceso de Blandford-Znajek ocurre cerca de los polos norte y sur. Durante este proceso, el agujero negro gira el tejido del espacio-tiempo. Esta distorsión tuerce los campos magnéticos en bobinas cerca de los polos. Estas bobinas luego se lanzan al espacio como un gato en la caja, extraen la energía de giro del agujero negro y lanzan chorros de partículas. 

Los agujeros negros giratorios pueden lanzar haces de partículas que se mueven a casi la velocidad de la luz. Las nuevas simulaciones revelan los procesos que se basan en la energía de rotación de un agujero negro para dar un impulso a las partículas. Crédito: K. Parfrey et al./Physical Review Letters 2019

Cerca de la sección media del agujero negro, aparece un mecanismo diferente e inesperado de aumento de partículas. Las líneas de campo magnético que operan en direcciones opuestas como una carretera de dos carriles se encuentran en el ecuador. Esta congregación hace que las líneas se tuerzan y se enreden. En el espacio entre estos haces, el campo magnético es relativamente débil en comparación con el campo eléctrico del agujero negro. 

El campo eléctrico, ahora la fuerza más fuerte en juego, acelera las partículas. Algunos vuelan hacia el exterior, siguiendo una trayectoria curva en las periferias de los chorros polares. Otros se apresuran hacia el agujero negro. Desde lejos, las partículas descendentes parecen tener energía negativa. A medida que el agujero negro se los come, el agujero negro pierde un poco de su energía de rotación en lo que se llama el proceso de Penrose. 

En general, las simulaciones sugieren que aproximadamente el 80 por ciento de la energía del chorro proviene del campo magnético de tirabuzón en los polos, y el 20 por ciento restante se origina en las partículas aceleradas cerca del ecuador. 

Los investigadores esperan perfeccionar aún más sus simulaciones al agregar una representación más realista de cuándo y cómo aparecen los pares de electrón-positrón alrededor de un agujero negro. También planean modelar el flujo de material que cruza el horizonte de eventos del agujero negro. 

Articulo científico

Fuente: Simons Foundation,