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Buenos Aires » Infobae
Fecha: 07/07/2024 16:37
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La nueva simulación se adentra en una maraña de galaxias en fusión y, finalmente, se aproxima a un agujero negro supermasivo activo, o cuásar, rodeado por un disco giratorio de material llamado disco de acreción. Una corriente filamentosa de gas se ha enrollado en el disco, canalizando el gas a una velocidad suficiente para alimentar los cuásares más brillantes conocidos en el universo. Cerca del final de la simulación, los campos magnéticos arrancan el momento angular del disco giratorio, lo que permite que el material se introduzca cada vez más en espiral hasta que alcanza el horizonte de sucesos del agujero negro, de donde no puede escapar. Durante esta simulación, que representa un momento en el tiempo, la escala se amplía en un factor de mil millones. Los colores muestran la densidad del gas, y los colores más brillantes representan densidades más altas. Crédito: Gentileza Caltech/grupo Phil Hopkins “Los agujeros negros se encuentran entre los objetos cósmicos más misteriosos, muy estudiados pero no totalmente comprendidos”, asegura la NASA cuando se refiere a estos gigantes cósmicos. Según indican, se trata de “enormes concentraciones de materia en espacios muy pequeños” y son tan densos que la gravedad que los caracteriza no permite que, “ni siquiera la luz, pueda escapar”. Ahora, un equipo de astrofísicos del California Institute of Technology (Caltech) logró identificar los discos de materia que alimentan los agujeros negros supermasivos gracias a una simulación del “viaje del gas primordial” desde el universo primigenio hasta estos discos. La simulación, que alcanzó una resolución mil veces mayor que las anteriores, desafía conceptos previos y hasta promete impulsar nuevas vías de estudio sobre la evolución de agujeros negros y galaxias. Los resultados fueron publicados en The Open Journal of Astrophysics. “Nuestra nueva simulación marca la culminación de varios años de trabajo de dos grandes colaboraciones iniciadas aquí en Caltech”, dice Phil Hopkins, profesor Ira S. Bowen de Astrofísica Teórica, en un comunicado de prensa emitido por la casa de altos estudios. Según indicaron, la investigación combinó los proyectos FIRE y STARFORGE, que estudian escalas cósmicas y la formación de estrellas, respectivamente, para superar la brecha existente entre estas escalas. Un agujero negro supermasivo, o cuásar, rodeado por un disco giratorio de material llamado disco de acreción. Crédito: Gentileza Caltech/grupo Phil Hopkins El estudio reveló que los campos magnéticos juegan un papel crucial en la configuración de los discos de acreción, contradiciendo teorías anteriores que los describían como planos. En lugar de ello, son esponjosos debido a la influencia de los campos magnéticos, con lo cual se cambia radicalmente la comprensión sobre su estructura y comportamiento. Este avance se logró gracias a la utilización del código GIZMO, que permitió integrar la física necesaria para resolver problemas a gran y pequeña escala simultáneamente. “La nueva simulación por ordenador pone patas arriba las ideas que los astrónomos han mantenido sobre dichos discos desde los años 70 y abre el camino a nuevos descubrimientos sobre cómo crecen y evolucionan los agujeros negros y las galaxias”, señalaron en el comunicado. En ese tono, resaltaron que la primera colaboración, nombrada como FIRE (Feedback in Realistic Environments), se centró en las escalas más grandes del universo, y puso el foco en temáticas referidas a cómo se forman las galaxias y qué sucede cuando las galaxias colisionan. En tanto, la otra, que fue llamada STARFORGE, fue desarrollada con el objetivo de “examinar escalas mucho más pequeñas, incluyendo cómo se forman las estrellas en nubes individuales de gas”. Sin embargo, de acuerdo a Hopkins, “había una gran brecha entre las dos”. Con esto en mente, los científicos construyeron una simulación con una resolución que es más de 1.000 veces mayor que la mejor previamente desarrollada. Es por eso que el experto aseguró: “Ahora, por primera vez, hemos superado esa brecha”. Una imagen anterior de la simulación muestra una maraña de galaxias en fusión Crédito: Gentileza Caltech/grupo Phil Hopkins De acuerdo al comunicado, el equipo de expertos se soprendió con los hallazgos. “La simulación reveló que los campos magnéticos desempeñan 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 de los agujeros negros supermasivos y los alimentan”. “Nuestras teorías nos decían que los discos deberían ser planos como crepes”, explicó Hopkins. Y agregó: “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 comprender que los campos magnéticos sostienen el material del disco, haciéndolo más esponjoso”. “Superzoom-ins” En esta reciente investigación, los científicos realizaron un análisis detallado sobre un único agujero negro supermasivo mediante lo que han denominado un “superzoom”. Este enorme objeto se encuentra en el centro de muchas galaxias, incluida la Vía Láctea, y posee una masa que oscila entre miles y miles de millones de veces la masa del Sol, ejerciendo una considerable influencia gravitatoria que impacta sobre cualquier objeto que se acerque. La simulación de Caltech reveló que los campos magnéticos dentro de los discos de acreción de agujeros negros supermasivos superan la presión térmica del gas por un factor de 10.000, un hallazgo que cambia la comprensión actual de estos fenómenos astronómicos. Credito: ESO/M. Kornmesser Desde hace décadas, los astrónomos han conocido que el gas y el polvo atraídos por la gravedad de estos agujeros negros no son absorbidos de inmediato, sino que forman un disco de acreción, que gira rápidamente. La energía irradiada por el material justo antes de ser absorbido es enorme, generando un brillo prominente y destacable en el universo. A pesar de estos conocimientos, aún hay muchos aspectos desconocidos sobre estos agujeros negros supermasivos y los cuásares activos, especialmente en relación con la formación y comportamiento de los discos que los alimentan. El Event Horizon Telescope obtuvo imágenes de discos alrededor de agujeros negros supermasivos en 2022 y 2019, específicamente en el corazón de nuestra galaxia y en Messier 87, respectivamente. Sin embargo, los discos que giran alrededor de cuásares son mucho más activos y distantes; a diferencia de los discos están mucho más cerca y son más dóciles. Dado esto, los astrofísicos emplean simulaciones de supercomputadoras para visualizar estos fenómenos, que integran la física que opera en estos entornos galácticos, incluyendo ecuaciones que gobiernan la gravedad, materia oscura y las estrellas, a través de miles de procesadores trabajando en paralelo. Las supercomputadoras utilizan una serie de algoritmos que permiten recrear estos complejos fenómenos. Por ejemplo, reconocen que cuando el gas alcanza una densidad determinada, se forma una estrella. Este proceso, aunque no sencillo, es parte crucial para comprender mejor estos misteriosos cuerpos celestes y sus efectos en las galaxias. “Si simplemente decimos que la gravedad atrae todo hacia abajo y que luego, con el tiempo, el gas forma una estrella y las estrellas simplemente se acumulan, nos equivocaremos enormemente”, resaltó Hopkins. Los campos magnéticos desempeñan un papel crucial en la configuración de los discos de acreción de los agujeros negros supermasivos, haciendo que estos sean esponjosos y no planos, como se creía anteriormente, según los hallazgos de la simulación de Caltech. POLITICA INVESTIGACIÓN Y TECNOLOGÍA EHT COLLABORATION Es que, “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 arrastrar 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 la cantidad de estrellas que realmente puede formar una galaxia”, explicaron en el comunicado. Múltiples escalas Tras estos pasos, los científicos desarrollaron una innovadora herramienta de simulación llamada GIZMO para explorar desde vastas escalas cósmicas hasta los detalles más minuciosos alrededor de un agujero negro. El objetivo de esta iniciativa es entender mejor el comportamiento del gas y otros materiales en diferentes contextos astronómicos. La complejidad de estas simulaciones radica en la variabilidad de factores físicos a considerar. A nivel galáctico, los detalles sobre cómo interactúan átomos y moléculas son cruciales. Sin embargo, en las cercanías de agujeros negros, donde el gas alcanza temperaturas extremadamente altas, se forma un plasma ionizado, y los modelos de química molecular se vuelven menos relevantes. “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”, señalaron en el comunicado. Los agujeros negros son concentraciones de materia tan densas que ni siquiera la luz puede escapar de su gravedad, según la NASA, lo que los convierte en uno de los fenómenos más misteriosos y estudiados del universo, aunque no completamente comprendidos. Crédito: Jose-Luis Olivares, MIT. Lo cierto es que este proyecto ha supuesto un reto computacional significativo, ya que no existían códigos capaces de manejar completamente tanto la física de pequeña escala asociada a discos de acreción como la física de gran escala en un contexto cosmológico. “Había algunos códigos que tenían la física necesaria para resolver la parte a pequeña escala del problema y algunos códigos que tenían la física necesaria para resolver la parte cosmológica más grande del problema, pero ninguno que tuviera ambas”, comentó Hopkins. El equipo responsable del Proyecto FIRE y del Proyecto STARFORGE diseñó el código GIZMO de manera modular. Esto permite activar y desactivar diferentes partes de la física según las necesidades específicas de cada simulación. Este enfoque ha facilitado simular un agujero negro con una masa diez millones de veces mayor que la del sol, comenzando desde etapas tempranas del universo, y seguir el flujo de material en su entorno. “Lo diseñamos de forma muy modular, de modo que se pudieran activar y desactivar cualquiera de las partes de la física que se quisieran para un problema determinado, pero todas eran compatibles entre sí”, resaltó el experto. Estas simulaciones avanzadas representaron procesos como cuando una corriente de material es atraída por un agujero negro y comienza a girar en torno a él, permitiendo observar cómo el gas se comporta en su trayecto hacia el horizonte de eventos. Los astrónomos han sabido durante décadas que el gas y el polvo atraídos por la gravedad de los agujeros negros forman discos de acreción que giran rápidamente, pero aún hay muchos aspectos desconocidos sobre su formación y comportamiento. NASA/JPL-CALTECH “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”, describen en el comunicado. Discos: nuevos conceptos Ante toda esta información, Hopkins afirmó: “En nuestra simulación, vemos que este disco de acreción se forma alrededor del agujero negro. Habríamos estado muy emocionados si hubiéramos visto ese disco de acreción, pero lo que fue muy sorprendente fue que el disco simulado no se parece a lo que habíamos pensado durante décadas que debería verse”. La presión magnética en los discos de acreción de los agujeros negros supermasivos es mucho mayor de lo que se había estimado anteriormente. Según la investigación, los campos magnéticos dentro de estos discos superan la presión térmica del gas por un factor de 10.000, un descubrimiento que podría cambiar la comprensión actual de estos fenómenos astronómicos. Los campos magnéticos sostienen los discos de acreción alrededor de los agujeros negros supermasivos, haciendo que el material se hinche y cambiando los cálculos sobre la masa, densidad y velocidad del material que se mueve hacia el agujero negro. GEORGE WONG Durante las décadas de 1970, los modelos teóricos iniciales asumieron que la principal fuerza que prevenía el colapso de los discos de acreción bajo la gravedad intensa de un agujero negro era la presión térmica. Estos modelos relegaron a los campos magnéticos a un papel secundario en la estabilidad de estos discos. Pero gracias a simulaciones más avanzadas y precisas, se ha revelado la importancia crítica de los campos magnéticos en la dinámica y estructura de los discos de acreción. Este resultado podría tener un impacto significativo en futuras investigaciones sobre los agujeros negros y su entorno cercano. “Los discos están controlados casi por completo por los campos magnéticos”, dijo Hopkins. Y agregó: “Los campos magnéticos cumplen muchas funciones, una de las cuales es sostener los discos y hacer que el material se hinche”. Estos hallazgos podrían alterar cálculos sobre la masa, densidad, grosor, velocidad del material que se mueve hacia el agujero negro, y la geometría de dichos discos, incluso si son asimétricos. Con estas nuevas capacidades, los investigadores esperan abrir diversas vías de estudio. Uno de los temas centrales es qué ocurre en detalle durante la fusión de dos galaxias. También interesa investigar los tipos de estrellas que se forman en las áreas densas de las galaxias, y cómo se originó la primera generación de estrellas en el universo. Es por eso que Hopkins asegura que “hay tanto por hacer”.
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