Explicación a un enigma de medio siglo sobre los agujeros negros

Investigadores de la Universidad de Helsinki han logrado explicar la radiación de rayos X que se emite en el entorno de los agujeros negros, algo que se venía buscando desde los años 70.

Esta radiación se origina por el efecto combinado de los movimientos caóticos de los campos magnéticos y del gas de plasma turbulento.

Mediante simulaciones detalladas en supercomputadoras, los investigadores de la Universidad de Helsinki modelaron las interacciones entre la radiación, el plasma y los campos magnéticos en torno a los agujeros negros. Se descubrió que los movimientos caóticos, o turbulencias, provocados por los campos magnéticos calientan el plasma local y lo hacen irradiar.

El estudio fue publicado en Nature Communications. La simulación utilizada en el estudio es el primer modelo de física del plasma que incluye todas las interacciones cuánticas importantes entre la radiación y el plasma.

Un agujero negro se crea cuando una gran estrella colapsa en una concentración de masa tan densa que su gravedad impide que incluso la luz escape de su esfera de influencia. Por eso, en lugar de observarse directamente, los agujeros negros solo se pueden observar a través de sus efectos indirectos sobre el entorno.

La mayoría de los agujeros negros observados tienen una estrella compañera, con la que forman un sistema binario. En un sistema binario, dos objetos orbitan entre sí y la materia de la estrella compañera se va moviendo lentamente en espiral hacia el agujero negro. Esta corriente de gas que fluye lentamente forma a menudo un disco de acreción alrededor del agujero negro, una fuente brillante y observable de rayos X.

Desde los años 70, se ha intentado modelar la radiación de los flujos de acreción alrededor de los agujeros negros. En ese momento, ya se pensaba que los rayos X se generaban a través de la interacción del gas local y los campos magnéticos, de manera similar a cómo el entorno del Sol se calienta por su actividad magnética a través de las erupciones solares.

"Las erupciones en los discos de acreción de los agujeros negros son como versiones extremas de las erupciones solares", dice el profesor asociado Joonas Nättilä, quien dirige el grupo de investigación de Astrofísica Computacional del Plasma en la Universidad de Helsinki, que se especializa en modelar precisamente este tipo de plasma extremo.

Las simulaciones demostraron que la turbulencia alrededor de los agujeros negros es tan fuerte que incluso los efectos cuánticos se vuelven importantes para la dinámica del plasma.

En la mezcla modelada de plasma de electrones y positrones y fotones, la radiación local de rayos X puede convertirse en electrones y positrones, que luego pueden aniquilarse y volverse radiación al entrar en contacto.

Nättilä describe cómo los electrones y positrones, antipartículas entre sí, normalmente no se encuentran en el mismo lugar. Sin embargo, el entorno extremadamente energético de los agujeros negros hace que esto sea posible. En general, la radiación tampoco interactúa con el plasma. Sin embargo, los fotones son tan energéticos alrededor de los agujeros negros que sus interacciones también son importantes para el plasma.

"En la vida cotidiana, estos fenómenos cuánticos en los que la materia aparece de repente en lugar de una luz extremadamente brillante, por supuesto, no se ven, pero cerca de los agujeros negros, se vuelven cruciales", dice Nättilä.

"Nos llevó años investigar y agregar a las simulaciones todos los fenómenos cuánticos que ocurren en la naturaleza, pero al final, valió la pena", agrega.

Una imagen precisa del origen de la radiación El estudio demostró que el plasma turbulento produce de forma natural el tipo de radiación de rayos X que se observa en los discos de acreción. La simulación también permitió ver, por primera vez, que el plasma alrededor de los agujeros negros puede estar en dos estados de equilibrio distintos, dependiendo del campo de radiación externo. En un estado, el plasma es transparente y frío, mientras que en el otro, es opaco y caliente.

"Las observaciones de rayos X de los discos de acreción de los agujeros negros muestran exactamente el mismo tipo de variación entre los llamados estados blandos y duros", señala Nättilä.