Los frenesíes que alimentan los agujeros negros supermasivos pueden explicar los cuásares parpadeantes

Los agujeros negros supermasivos pueden desgarrar y devorar su disco de polvo y gas circundante a una velocidad sorprendente, lo que quizás explique el comportamiento de una clase misteriosa de quásar que se ilumina rápidamente.

Se cree que los agujeros negros supermasivos, que pesan entre un millón y mil millones de veces la masa del Sol, se encuentran en los centros de las galaxias, donde consumen un disco aplanado de escombros que rodea su horizonte de sucesos, ese punto sin retorno donde la materia no puede escapar de la gravedad. embragues. Una nueva investigación sugiere que los pesos pesados ​​de los agujeros negros pueden consumir las partes internas de su disco de acreción en meses o años, mucho más rápido de lo que se creía anteriormente, de siglos a milenios. Aunque los resultados provienen de una simulación por computadora, no de la realidad, esta escala de tiempo coincidiría con las observaciones de los llamados quásares de apariencia cambiante. Los cuásares son núcleos galácticos donde el polvo y el gas caen en un agujero negro y liberan brillantes llamaradas de radiación electromagnética. Los quásares de apariencia cambiante se atenúan y brillan en el orden de meses, lo cual es una línea de tiempo desconcertante, dadas las escalas masivas involucradas.

“Está sucediendo algo extraño que apaga la luz y luego, de alguna manera, vuelve a brillar en un período de tiempo muy, muy corto para un agujero negro supermasivo”, dice el líder del estudio Nick Kaaz, estudiante de posgrado en astrofísica de la Universidad Northwestern. Resolver el rompecabezas podría ayudar a explicar cómo se formaron y crecieron los gigantes agujeros negros en los centros de las galaxias, incluida la Vía Láctea.

Los primeros modelos de agujeros negros no podían explicar realmente los cambios en la apariencia de los quásares. Estos primeros modelos eran limitados, dice Kaaz, porque asumían que un agujero negro y su disco de acreción estarían alineados: ambos existirían en el mismo plano y rotarían en la misma dirección. “Ahora tenemos el poder de estas simulaciones por computadora realmente poderosas, por lo que podemos investigar cuestiones más complicadas”, dice.

El equipo de investigación utilizó la Cumbre del Laboratorio Nacional Oak Ridge, una de las supercomputadoras más grandes del mundo, para crear un modelo tridimensional de un agujero negro con un disco de acreción inclinado. En lugar de girar suavemente como un disco de vinilo en un tocadiscos, este disco de acreción desequilibrado actúa más como un giroscopio, con discos girando y bamboleándose en diferentes ángulos y velocidades. Las fuerzas que impulsan la rotación son más fuertes cerca del agujero negro y más débiles más lejos, dice Kaaz, por lo que existe una tendencia natural al disco a desgarrarse. Pero fuerzas como la fricción y los campos magnéticos actúan para mantenerlo unido.

“Existe esta competencia entre la rotación del agujero negro que intenta destrozarlo y la hidrodinámica interna de los discos de acreción que intentan permanecer juntos”, dice.

Este juego de tira y afloja a nivel galáctico hace que el propio espacio-tiempo se deforme. Debido a que esta deformación se fortalece más cerca del horizonte de eventos, el disco de acreción comienza a separarse y el disco interno se separa del disco externo, informaron Kaaz y sus colegas el 20 de septiembre en el Diario astrofísico. Estos dos discos chocan violentamente entre sí, dice Kaaz, y la fuerza del disco exterior empuja material del disco interior hacia el agujero negro. El vacío que queda se llena rápidamente con materiales del disco externo que luego pasan por el mismo ciclo violento antes de ser devorados también.

Este proceso podría ser lo que está detrás del cambio de apariencia de los quásares, dice Kaaz. “Tenemos algo nuevo que debe parecer interesante a simple vista”, afirma. “Y luego hay algo que, desde el punto de vista de la observación, es un misterio que podría coincidir naturalmente con esta historia”.

La investigación revela detalles interesantes sobre las estructuras dentro de los caóticos discos dobles, dice Vicente Valenzuela-Villaseca, investigador postdoctoral y físico del plasma en la Universidad de Princeton, que no participó en el nuevo estudio. Para su propia investigación, Valenzuela-Villaseca crea discos de acreción de agujeros negros a partir de plasma o gas cargado en el laboratorio. Su equipo podría perturbar el disco de acreción simulado para intentar recrear el tipo de dinámica que encontraron Kaaz y sus colegas, dice Valenzuela-Villaseca.

“Existe una correlación muy conocida entre la masa de un agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia y la galaxia”, añade Valenzuela-Villaseca. “Parece que coevolucionan”. Los astrónomos todavía están desconcertando cómo los agujeros negros supermasivos crecieron tan rápidamente como lo hicieron en el universo temprano, por lo que una mejor comprensión de su dinámica podría ayudar a responder preguntas sobre sus orígenes, dice Kaaz.

Estos discos de acreción tambaleantes también podrían rodear los agujeros negros estelares mucho más pequeños, que suelen tener entre tres y 20 veces la masa del sol. Estos pequeños agujeros negros también pueden tener discos inclinados y una dinámica caótica similar, dice Kaaz. “Este campo está en esta campaña en curso para intentar comprender lo que vemos en el cielo nocturno y catalogarlo todo”, dice.