Revelan la naturaleza de la turbulencia en los discos de acreción de los agujeros negros
Físicos japoneses han logrado un gran avance en la comprensión de la compleja naturaleza de la turbulencia que ocurre en unas estructuras llamadas discos de acreción que rodean a los agujeros negros.
Por Enrique Coperías
Imagen artística de la turbulencia del disco de acreción. El recuadro enmarca las fluctuaciones del campo magnético calculadas por la simulación de este estudio. Cortesía: Yohei Kawazura
Investigadores de la Universidad de Tohoku y la Universidad de Utsunomiya, en Japón, han logrado un gran avance en la comprensión de la compleja naturaleza de la turbulencia en las estructuras denominadas discos de acreción que rodean a los agujeros negros. Con la ayuda de superordenadores de última generación han sido capaces de realizar las simulaciones de mayor resolución efectuadas hasta la fecha sobre este fenómeno, que juega un papel esencial en la dinámica del material en el disco y en la transferencia de momento angular y energía.
Un disco de acreción, como su nombre indica, es una estructura en forma de disco formada por material que se acumula alrededor de un objeto compacto, como una estrella de neutrones, un agujero negro o una enana blanca, debido a la atracción gravitacional del objeto. A medida que el material, que puede estar compuesto de gas y polvo, se acerca al objeto central, comienza a orbitarlo y a moverse a lo largo de trayectorias que forman un disco.
En el disco de acreción, el material en la parte exterior se mueve más lentamente en comparación con el material en la parte interior debido a la conservación del momento angular. Este movimiento hace que el material se caliente debido a la fricción y la compresión, lo que produce una intensa emisión de radiación, a menudo en el rango de los rayos X.
Para sondear los agujeros negros y estudiarlos, nos fijamos en cómo afectan a su entorno.
Existe un gran interés por estudiar las propiedades únicas y extremas de los agujeros negros. Sin embargo, estos no dejan escapar la luz, por lo que no pueden ser percibidos directamente por los telescopios. Para sondear los agujeros negros y estudiarlos, nos fijamos en cómo afectan a su entorno.
Los discos de acreción son una de esas formas de observar indirectamente los efectos de los agujeros negros, ya que emiten radiación electromagnética que puede ser vista por los telescopios.
«Simular con precisión el comportamiento de los discos de acreción supone un avance significativo en nuestra comprensión de los fenómenos físicos en torno a los agujeros negros —explica Yohei Kawazura, de la Universidad de Tohoku. Y añade—: Aporta ideas cruciales para interpretar los datos observacionales del telescopio de Horizonte de Sucesos”.
Los investigadores utilizaron superordenadores como el Fugaku del instituto de investigación RIKEN (el ordenador más rápido del mundo hasta 2022) y el ATERUI II del Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ) para realizar simulaciones de alta resolución sin precedentes.
Aunque ha habido simulaciones numéricas previas de discos de acreción, ninguno ha observado el rango inercial debido a la falta de recursos computacionales. Este estudio, publicado en la revista Science Advances, es el primero en reproducir con éxito el llamado rango inercial que conecta remolinos grandes y pequeños en la turbulencia del disco de acreción.
Imagen tomada por el Telescopio Espacial Hubble de un disco de acreción rodeando el afilado negro del núcleo de la galaxia elíptica NGC 4261. Cortesía: . Ferrarese (Johns Hopkins University) and NASA
También se descubrió que las ondas magnetosónicas o magnetoacústicas lentas dominan este rango. Este hallazgo explica por qué los iones se calientan selectivamente en los discos de acreción. Los turbulentos campos electromagnéticos de los discos de acreción interactúan con las partículas cargadas, lo que puede acelerar algunas energías extremadamente altas.
En magnetohidronámica, las ondas magnetosónicas —lentas y rápidas— y las ondas de Alfvén constituyen los tipos básicos de ondas. Se descubrió que las ondas magnetosónicas lentas dominan el rango inercial y transportan aproximadamente el doble de energía que las ondas Alfvén. La investigación también pone de relieve una diferencia fundamental entre la turbulencia de los discos de acreción y la del viento solar, donde dominan las ondas de Alfvén.
Se espera que este avance mejore la interpretación física de los datos observacionales procedentes de radiotelescopios centrados en regiones cercanas a los agujeros negros. ▪️
Información facilitada por la Universidad de Tohoku
Fuente: Yohei Kawazura, Shigeo S. Kimura. Inertial range of magnetorotational turbulence. Science Advances (2024): DOI: 10.1126/sciadv.adp4965
