Simulación revela cómo crecen y evolucionan los agujeros negros

Astrofísicos han simulado por primera vez el viaje del gas que data del universo primigenio hasta el momento en que es arrastrado por un disco de material que alimenta un agujero negro supermasivo.

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La nueva simulación por ordenador, liderada por Caltech, pone “patas arriba” las ideas que los astrónomos han mantenido sobre dichos discos desde los años 70 y allana el camino para nuevos descubrimientos sobre cómo crecen y evolucionan los agujeros negros y las galaxias.

“Nuestra nueva simulación marca la culminación de varios años de trabajo de dos grandes colaboraciones iniciadas aquí en Caltech”, dice en un comunicado Phil Hopkins, profesor de Astrofísica Teórica.

La primera colaboración, apodada FIRE (Feedback in Realistic Environments), se ha centrado en las escalas más grandes del universo, estudiando cuestiones como cómo se forman las galaxias y qué sucede cuando chocan. La otra, bautizada como STARFORGE, fue diseñada para examinar escalas mucho más pequeñas, incluyendo cómo se forman las estrellas en nubes individuales de gas. “Pero había una gran brecha entre los dos”, explica Hopkins. “Ahora, por primera vez, hemos salvado esa brecha”. Para ello, los investigadores tuvieron que construir una simulación con una resolución que es más de 1.000 veces mayor que la mejor anterior en el campo.

Para sorpresa del equipo, como se informó en The Open Journal of Astrophysics, la simulación reveló que los campos magnéticos juegan un papel mucho más importante de lo que se creía anteriormente en la formación y configuración de los enormes discos de material que giran alrededor y alimentan los agujeros negros supermasivos. “Nuestras teorías nos decían que los discos deberían ser planos como crepes”, dice Hopkins.

“Pero sabíamos que esto no era correcto porque las observaciones astronómicas revelan que los discos son en realidad esponjosos, más como un pastel de ángel. Nuestra simulación nos ayudó a entender que los campos magnéticos sostienen el material del disco, haciéndolo más esponjoso”.

En la nueva simulación, los investigadores realizaron lo que ellos llaman un “superzoom” en un solo agujero negro supermasivo, un objeto monstruoso que se encuentra en el corazón de muchas galaxias, incluida nuestra propia Vía Láctea. Estos voraces y misteriosos cuerpos contienen entre miles y miles de millones de veces la masa del Sol, y por lo tanto ejercen un enorme efecto sobre cualquier cosa que se acerque.

Los astrónomos saben desde hace décadas que, cuando el gas y el polvo son atraídos por la tremenda gravedad de estos agujeros negros, no son absorbidos inmediatamente. En cambio, el material primero forma un disco que gira rápidamente llamado disco de acreción. Y cuando el material está a punto de caer, irradia una enorme cantidad de energía, brillando con un brillo incomparable con casi cualquier cosa en el universo. Pero aún no se sabe mucho sobre estos agujeros negros supermasivos activos, llamados cuásares, y cómo se forman y se comportan los discos que los alimentan.

Si bien los discos alrededor de los agujeros negros supermasivos ya se han fotografiado anteriormente (el Event Horizon Telescope fotografió los discos que giran alrededor de los agujeros negros en el corazón de nuestra propia galaxia en 2022 y Messier 87 en 2019), estos discos están mucho más cerca y son más dóciles que los que giran alrededor de los cuásares.

Para visualizar lo que ocurre alrededor de estos agujeros negros más activos y distantes, los astrofísicos recurren a simulaciones de supercomputadoras. Introducen información sobre la física que funciona en estos entornos galácticos (desde las ecuaciones básicas que gobiernan la gravedad hasta cómo tratar la materia oscura y las estrellas) en miles de procesadores informáticos que trabajan en paralelo. Esta información incluye muchos algoritmos, o series de instrucciones, que las computadoras deben seguir para recrear fenómenos complicados. Así, por ejemplo, las computadoras saben que una vez que el gas se vuelve lo suficientemente denso, se forma una estrella. Pero el proceso no es tan sencillo.

“Si simplemente dices que la gravedad atrae todo hacia abajo y luego, finalmente, el gas forma una estrella y las estrellas simplemente se acumulan, estarás completamente equivocado”, explica Hopkins. Después de todo, las estrellas hacen muchas cosas que afectan a su entorno. Emiten radiación que puede calentar o empujar el gas circundante. Soplan vientos como el viento solar creado por nuestro propio Sol, que puede barrer material. Explotan como supernovas, a veces lanzando material fuera de las galaxias o cambiando la química de su entorno. Por lo tanto, los ordenadores también deben conocer todos los detalles de esta “retroalimentación estelar”, ya que regula cuántas estrellas puede formar realmente una galaxia.

Pero en estas escalas mayores, el conjunto de física que es más importante incluir y las aproximaciones que se pueden hacer difieren de los de las escalas menores. Por ejemplo, en la escala galáctica, los detalles complicados de cómo se comportan los átomos y las moléculas son extremadamente importantes y deben incorporarse en cualquier simulación. Sin embargo, los científicos coinciden en que cuando las simulaciones se centran en el área más inmediata alrededor de un agujero negro, la química molecular puede ignorarse en gran medida porque el gas allí es demasiado caliente para que existan átomos y moléculas. En cambio, lo que existe allí es plasma ionizado caliente.

Crear una simulación que pudiera cubrir todas las escalas relevantes hasta el nivel de un único disco de acreción alrededor de un agujero negro supermasivo fue un enorme desafío computacional, que también requirió un código que pudiera manejar toda la física. “Había algunos códigos que tenían la física que se necesitaba para resolver la parte a pequeña escala del problema y algunos códigos que tenían la física que se necesitaba para resolver la parte cosmológica más grande del problema, pero nada que tuviera ambas”, dice Hopkins.

El equipo dirigido por Caltech utilizó un código al que llamaron GIZMO para los proyectos de simulación a gran y pequeña escala. Es importante destacar que construyeron el proyecto FIRE de modo que toda la física que le agregaron pudiera funcionar con el proyecto STARFORGE, y viceversa. “Lo construimos de una manera muy modular, de modo que se pudiera activar y desactivar cualquiera de las partes de la física que se quisieran para un problema determinado, pero todas eran compatibles entre sí”, dice Hopkins.

Esto permitió a los científicos del último trabajo simular un agujero negro que tiene aproximadamente 10 millones de veces la masa de nuestro Sol, comenzando en el universo primitivo. Luego, la simulación se enfoca en ese agujero negro en un momento en el que una corriente gigante de material se desprende de una nube de gas formador de estrellas y comienza a girar alrededor del agujero negro supermasivo. La simulación puede continuar haciendo zoom, resolviendo un área más fina en cada paso a medida que sigue el gas en su camino hacia el agujero.