Una visualización de una simulación de supercomputadora muestra cómo se comportan los positrones cerca del horizonte de eventos de un agujero negro giratorio.
(Imagen: © Kyle Parfrey et al./Berkeley Lab)
El tirón gravitacional de un agujero negro es tan fuerte que nada, ni siquiera la luz, puede escapar una vez que se acerca demasiado. Sin embargo, hay una forma de escapar de un agujero negro, pero solo si eres una partícula subatómica.
A medida que los agujeros negros engullen la materia en su entorno, también escupen poderosos chorros de plasma caliente que contienen electrones y positrones, el equivalente de antimateria de los electrones. Justo antes de que esas afortunadas partículas entrantes lleguen al horizonte de eventos, o al punto de no retorno, comienzan a acelerarse. Moviéndose a una velocidad cercana a la de la luz, estas partículas rebotan en el horizonte de eventos y son arrojadas hacia afuera a lo largo del eje de rotación del agujero negro.
Conocidos como chorros relativistas, estas enormes y poderosas corrientes de partículas emiten luz que podemos ver con telescopios. Aunque los astrónomos han observado los aviones durante décadas, nadie sabe exactamente cómo las partículas que escapan obtienen toda esa energía. En un nuevo estudio, los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (LBNL) en California arrojaron nueva luz sobre el proceso. [Los agujeros negros más extraños en el universo]
"¿Cómo se puede extraer la energía en la rotación de un agujero negro para hacer chorros?" Kyle Parfrey, quien dirigió las simulaciones de agujeros negros durante su tiempo como becario postdoctoral en Berkeley Lab, dijo en un comunicado. "Esta ha sido una pregunta durante mucho tiempo". Parfrey ahora es miembro del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Maryland.
Para tratar de responder esa pregunta, Parfrey y su equipo idearon un conjunto de simulaciones de supercomputadoras que "combinaban teorías de décadas para proporcionar una nueva visión sobre los mecanismos de conducción en los chorros de plasma que les permite robar energía de los poderosos campos gravitacionales de los agujeros negros y Impulsarlo lejos de sus bocas abiertas ", dijeron funcionarios de LBNL en el comunicado. En otras palabras, investigaron cómo la fuerza gravitacional extrema de un agujero negro puede dar a las partículas tanta energía que comienzan a irradiarse.
"Las simulaciones, por primera vez, unen una teoría que explica cómo las corrientes eléctricas alrededor de un agujero negro tuercen los campos magnéticos en chorros de formación, con una teoría separada que explica cómo las partículas que cruzan a través del punto sin retorno de un agujero negro, el horizonte de eventos, pueden un observador distante parece llevar energía negativa y reducir la energía rotacional general del agujero negro ", dijeron los funcionarios de LBNL. "Es como comer un refrigerio que hace que pierdas calorías en lugar de ganarlas. El agujero negro en realidad pierde masa como resultado de sorber estas partículas de 'energía negativa'".
Parfrey dijo que combinó las dos teorías en un intento de fusionar la física de plasma ordinaria con la teoría de la relatividad general de Einstein. Las simulaciones tenían que abordar no solo la aceleración de las partículas y la luz proveniente de los chorros relativistas, sino que también debían explicar la forma en que se crean los positrones y los electrones en primer lugar: a través de las colisiones de fotones de alta energía, como los rayos gamma. Este proceso, llamado producción en pareja, puede convertir la luz en materia.
"Los resultados de las nuevas simulaciones no son radicalmente diferentes de los de las antiguas ... simulaciones, lo que, en cierto sentido, es tranquilizador", Robert Penna, científico investigador del Centro de Astrofísica Teórica de la Universidad de Columbia que no participó en el estudio , escribió en un artículo relacionado "Puntos de vista" en la revista Physical Review Letters.
"Sin embargo, Parfrey et al. Descubren un comportamiento interesante y novedoso", dijo Penna. "Por ejemplo, encuentran una gran población de partículas cuyas energías relativistas son negativas, según lo medido por un observador lejos del agujero negro. Cuando estas partículas caen en el agujero negro, la energía total del agujero negro disminuye".
Sin embargo, hubo una sorpresa. Las simulaciones de Parfrey muestran que hay tantas de estas partículas de energía negativa que fluyen hacia el agujero negro "que la energía que extraen al caer en el agujero es comparable a la energía extraída por el devanado del campo magnético", dijo Penna. "Se necesita un trabajo de seguimiento para confirmar esta predicción, pero si el efecto de las partículas de energía negativa es tan fuerte como se afirma, podría alterar las expectativas de los espectros de radiación de los chorros de los agujeros negros".
Parfrey y su equipo planean mejorar aún más sus modelos comparando las simulaciones con evidencia observacional de observatorios como el nuevo Event Horizon Telescope, que tiene como objetivo capturar las primeras fotos de un agujero negro. "También planean ampliar el alcance de las simulaciones para incluir el flujo de materia que cae alrededor del horizonte de eventos del agujero negro, conocido como su flujo de acreción", dijeron funcionarios de LBNL.
"Esperamos proporcionar una imagen más consistente de todo el problema", dijo Parfrey.
El estudio fue publicado el miércoles (23 de enero) en Physical Review Letters.
