Simulan el efecto de la antimateria en las emisiones de un agujero negro

Recreación artística de un agujero negro en rotación rodeado por un disco de materia. [NASA/Centro Goddard de Vuelos Espaciales]

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Un equipo de astrofísicos ha simulado por primera vez el efecto de las partículas de materia y antimateria en las inmediaciones de un agujero negro en rotación. El trabajo aporta un elemento clave al estudio del proceso por el que los agujeros negros emiten chorros de partículas a velocidades próximas a la de la luz y, al mismo tiempo, avala dos mecanismos propuestos el siglo pasado para explicar el extraño comportamiento de las partículas y los campos electromagnéticos en las cercanías de un horizonte de sucesos.

Además, las nuevas simulaciones por ordenador ayudarán a interpretar los datos de los radiotelescopios que, desde hace un tiempo, intentan analizar con detalle el agujero negro supermasivo del centro de la Vía Láctea. Los resultados, publicados el 23 de enero en Physical Review Letters, constituyen «un hito» en el estudio de los agujeros negros, opina Serguei Komissarov, astrofísico de la Universidad de Leeds que no participó en el trabajo.

Emisiones enigmáticas

Los chorros de materia de alta energía son comunes en todo el cosmos y parecen emanar de una variedad de fuentes. Sin embargo, los físicos aún carecen de pruebas directas que revelen exactamente cómo se forman. En nuestra galaxia, los producen numerosas estrellas de neutrones así como algunos agujeros negros relativamente pequeños (con masas no muy superiores a la del Sol) que se encuentran absorbiendo materia de sus alrededores. Al mismo tiempo, se cree que algunos agujeros negros supermasivos situados en el centro de otras galaxias estarían detrás de los espectaculares chorros de materia que se han observado en ellas y que se extienden a lo largo de miles de años luz, como los detectados en la galaxia Messier 87, situada a más de 50 millones de años luz de distancia.

En muchos casos, especialmente en los agujeros negros de menor tamaño, esos chorros relativistas parecen contener una fina niebla formada por electrones y sus homólogos de antimateria, positrones, los cuales emergen en forma de plasma a altas velocidades. Los modelos existentes indican que esos pares de partículas y antipartículas se producen en el seno de los intensos campos eléctricos y magnéticos que se arremolinan cerca del horizonte de sucesos, la superficie más allá de la cual nada puede escapar. Después, la mayoría de esas partículas caería al agujero negro.

Los chorros relativistas se forman cerca de los polos del objeto. Los cálculos indican que, desde allí, las líneas de campo magnético adoptan forma de trenza y escapan a lo largo del eje de rotación del astro. Según la explicación predominante, esos campos se llevarían parte de la energía y del momento angular del agujero negro, al tiempo que crearían más pares de electrones y positrones.

En el pasado, las simulaciones tridimensionales de la dinámica de tales procesos habían modelizado el plasma de electrones y positrones como un medio continuo. El nuevo trabajo, sin embargo, ha tratado el plasma como compuesto por partículas individuales, lo que ha permitido analizar con detalle la manera en que tales partículas interaccionan con el campo magnético y contribuyen a potenciarlo. Los resultados muestran corrientes turbulentas de positrones y electrones que se mueven en sentidos opuestos mientras giran a largo del plano de rotación del astro. Tales corrientes contribuirían a que la energía emanase de las regiones polares.

Extracción de energía

«Lo más importante de los chorros no es el plasma, sino la gran cantidad de energía que escapa con el campo electromagnético», explica Kyle Parfrey, astrofísico del Centro Goddard de Vuelos Espaciales de la NASA y uno de los autores del artículo. «Vemos que esto sucede.»

Dicho efecto fue predicho en los años setenta por los astrofísicos Roger Blandford y Roman Znajek, quienes propusieron un mecanismo para explicar la manera en que los chorros relativistas podrían extraer energía rotacional de un agujero negro y contribuir así a ralentizar su giro.

Los resultados del nuevo trabajo también corroboran un segundo mecanismo que daría cuenta de la posibilidad de extraer energía de un agujero negro en rotación. Este proceso adicional fue propuesto a finales de los años sesenta por el físico teórico Roger Penrose (y analizado después con detalle por Penrose y R. M. Floyd). Según él, algunas de las partículas creadas en las inmediaciones de un agujero negro en rotación tendrían energía negativa, por lo que al caer en el interior del astro harían disminuir la energía total de este. (En ese sentido, dicho proceso recuerda al mecanismo de emisión por radiación de Hawking propuesto por Stephen Hawking unos años después.)

Parfrey advierte de que las nuevas simulaciones aún están incompletas. En concreto, no incluyen los detalles sobre el proceso de creación de partículas y antipartículas ni aquellos relacionados con la física del disco de acreción, el material que se arremolina en torno al agujero negro y que crearía el campo magnético en primer lugar. Un agujero negro aislado y que no estuviese rodeado por un disco materia acabaría en un estado «de reposo» en el que no emitiría chorros de plasma.

Benoît Cerutti, de la Universidad de Grenoble-Alpes y uno de los coautores del artículo, recuerda que el Telescopio del Horizonte de Sucesos (EHT), una red mundial de radiotelescopios que deberá publicar sus primeros resultados este año, proporcionará detalles sobre la dinámica del plasma en torno al agujero negro supermasivo que ocupa el centro de la Vía Láctea, así como sobre el situado en la galaxia Messier 87. «Mi esperanza es que pronto tengamos más límites observacionales», concluye el investigador.

Davide Castelvecchi/Nature News

Artículo original traducido y adaptado por Investigación y Ciencia con permiso de Nature Research Group.

Referencia: «First-principles plasma simulations of black-hole jet launching», Kyle Parfrey, Alexander Philippov y Benoît Cerutti; Physical Review Letters, vol. 122, art. 035101, 23 de enero de 2019. Una versión del artículo técnico se encuentra disponible en el repositorio arXiv.

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