Identifican el motor que alimenta los rayos de energía del Agujero Negro

Los agujeros negros supermasivos emiten chorros de plasma al rojo vivo que se extienden miles de años luz a través del cosmos. Por primera vez, los investigadores han identificado qué está creando estos chorros.

Una simulación del chorro que sale del agujero negro supermasivo en la galaxia M87. Se cree que está funcionando un proceso altamente magnético llamado MAD.

Paradójicamente, los agujeros negros, esos infames tragadores de luz y materia, también expulsan luz y materia con un poder y una eficiencia sin precedentes. Impulsan delgados haces de plasma llamados chorros que se extienden miles de años luz en el espacio, formando segmentos de líneas brillantes que se ven en todo el cosmos.

Los físicos saben por qué entran cosas: los agujeros negros tienen tanta gravedad que atrapan incluso la luz, lo que los envuelve en esferas de invisibilidad. Pero ha resultado mucho más difícil de entender por qué los chorros salen disparados de los bordes de muchos agujeros negros. “Uno de los mayores misterios del universo es cómo los agujeros negros lanzan chorros”, dijo Sara Issaoun, astrofísica de la Universidad de Radboud en los Países Bajos.

Ahora, a través del trabajo de Issaoun y sus colegas en el equipo de observación del Event Horizon Telescope (EHT) del agujero negro, el misterio ha comenzado a desentrañarse. Hace varias semanas, el EHT publicó su segunda foto de un agujero negro: otra vista del mismo anillo ardiente marcado por la oscuridad visto en 2019. Ambas imágenes muestran el plasma brillante alrededor del agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia M87*, cuyo gigante jet sube fuera del marco. A diferencia de la primera foto, el anillo de la nueva imagen tiene rayas, lo que indica que la luz está fuertemente polarizada.

Los expertos dicen que el patrón en espiral de las rayas es el resultado de un campo magnético fuerte y ordenado alrededor del agujero negro M87*, y que esto representa la primera evidencia empírica significativa a favor de una popular teoría de lanzamiento de chorro de 44 años, conocida como Blandford. -Proceso Znajek.

Roger Blandford y Roman Znajek, jóvenes físicos de la Universidad de Cambridge en 1977, argumentaron que los agujeros negros supermasivos giratorios torcerán los campos magnéticos ambientales en una hélice apretada, y que esta torsión creará un voltaje que extraerá energía del agujero y la a lo largo de la hélice. Esto, afirmaron, es el chorro, y un gran asterisco en la noción ingenua de que nada escapa a los agujeros negros.

En ese momento, todos los ingredientes del proceso eran especulativos, pero las nuevas observaciones confirman la idea de Blandford-Znajek. “Lo que vemos en nuestra imagen es polarización ordenada en forma de espiral”, dijo Issaoun, quien participó en el análisis de las mediciones de polarización. «Y la forma del campo magnético también es espiral… lo que significa que puede lanzar un chorro«.

“Estoy muy contento”, dijo por correo electrónico Znajek, ahora un concejal jubilado de la ciudad de Cambridge.

Además, las nuevas observaciones apuntan a una de las dos versiones rivales del proceso Blandford-Znajek que se han desarrollado y explorado en cientos de simulaciones por computadora en las últimas décadas, conocidas como escenarios de lanzamiento de jets MAD y SANE. Estas ideas en competencia pintan imágenes opuestas del entorno de un agujero negro y, en particular, el origen y la fuerza de su campo magnético.

Los modelos SANE, que asumen campos más débiles, se consideraron durante mucho tiempo más plausibles. Pero la luz fuertemente polarizada en la nueva foto del Event Horizon Telescope apunta a fuertes campos magnéticos y, por lo tanto, a la versión MAD de los eventos. La nueva imagen «parece favorecer en gran medida los modelos MAD», dijo Alexander Chen, astrofísico teórico de la Universidad de Colorado que no forma parte de EHT.

Hay más para descubrir sobre los chorros de agujeros negros y su papel en el cosmos. Las opiniones difieren sobre varios elementos del escenario MAD, y MAD deja muchas preguntas sin respuesta que los investigadores están explorando en simulaciones de próxima generación. Mientras tanto, permanecen asombrados.

«El agujero negro en M87 es aproximadamente del tamaño de nuestro sistema solar«, dijo Issaoun, pero produce una corriente de plasma al rojo vivo de 5.000 años luz de largo. Eso es como la Estatua de la Libertad saliendo de una canica. Unos 3 billones de billones de billones de julios de energía fluyen por el chorro cada segundo, 500 billones de veces más energía que la que quema toda la población humana en una década. «¿Cómo puede algo tan pequeño ser tan poderoso?»

La hélice de cuerda

El jet de M87* fue el primero que se descubrió. Heber Curtis lo observó en 1918: “un curioso rayo recto” que emanaba del centro de una nebulosa mancha de luz que Curtis, un par de años más tarde, ayudó a identificar como una galaxia más allá de la nuestra. La posibilidad teórica de los agujeros negros, inconvenientes en el tejido del espacio-tiempo, por lo demás suave, se había imaginado solo dos años antes, pero Blandford y Znajek tardarían 60 años en conectar los agujeros negros a los chorros.

Eran un posdoctorado y un estudiante graduado en Cambridge en la década de 1970, cuando los agujeros negros estaban en el aire. Stephen Hawking trabajaba al final del pasillo. Roger Penrose estaba en Londres, haciendo la teoría del agujero negro que eventualmente le valdría el Premio Nobel de Física 2020. Los astrónomos también comenzaban a tomarse en serio los agujeros negros, y las observaciones sugerían que la fuente de rayos X Cygnus X-1 era uno de esos objetos.

Blandford y Znajek se centraron en la desconcertante plétora de las llamadas fuentes de radio dobles: manchas enormes, brillantes y emisoras de radio ubicadas a ambos lados de galaxias distantes. Abundaban las teorías sobre cuáles podrían ser. Blandford y Znajek, inmersos en la esfera de influencia de su agujero negro, fueron los primeros en llegar a la respuesta correcta: las gotas salen disparadas desde los extremos de los chorros que salen disparados en direcciones opuestas desde un gran agujero negro en el centro de la galaxia.

Los astrofísicos eventualmente confirmarían que los agujeros negros supermasivos, de hecho, anclan galaxias, pero en ese momento, Blandford y Znajek estaban especulando, no solo sobre la presencia de agujeros negros, sino también sobre sus capacidades de generación de chorro. “El problema básico es que necesitas una fuente de energía”, dijo Blandford, quien ahora es profesor en la Universidad de Stanford, en una videollamada.

El matemático Roy Kerr había resuelto las ecuaciones de un agujero negro giratorio en 1963, demostrando que el agujero, al girar de forma invisible, arrastra consigo el tejido del espacio-tiempo. Luego, Roger Penrose demostró que los agujeros negros giratorios pueden ralentizarse y que, al hacerlo, transforman su energía de rotación en otra cosa. “Ambos entendimos el proceso de Penrose”, dijo Blandford, que demostró que los agujeros negros “no son membranas unidireccionales, por así decirlo; puedes extraer la energía de giro. Mostramos una forma de hacerlo con campos electromagnéticos”.

Sabían que un gran agujero negro en el centro de una galaxia, debido a su enorme gravedad, atraerá una gran cantidad de gas interestelar. El gas caerá hacia el agujero negro y girará a su alrededor, formando un «disco de acreción». El gas se calentará y eventualmente se calentará tanto que los átomos perderán sus electrones, creando un plasma que transportará campos magnéticos.

Con las ecuaciones de Kerr en la mano, Blandford y Znajek demostraron que cuando las líneas de campo magnético del disco de acreción caen sobre el agujero giratorio, la rotación del agujero negro enrollará las líneas de campo en una hélice orientada a lo largo del eje de rotación del agujero. Los campos magnéticos en movimiento generan un voltaje, por lo que una corriente de electrones y positrones comenzará a fluir a través de la hélice alejándose del agujero negro en ambas direcciones. Este es el chorro.

En 1977, la propuesta de lanzamiento de un jet de Blandford y Znajek pareció funcionar sobre el papel. “Solo proponer que esto podría ser lo que está sucediendo fue un gran paso adelante”, dijo Chen. Pero nadie sabía si era cierto.
Orden y caos

A medida que la potencia informática mejoró en las décadas de 1980 y 1990, la gente consiguió que el proceso de Blandford-Znajek funcionara en simulaciones. Pero cada ingrediente (el agujero negro en rotación, el campo magnético, la luz y la materia en el disco de acreción) era variable y nadie conocía la receta correcta.

Una dicotomía desarrollada en la década de 2000 entre dos clases de simulaciones por computadora: modelos en los que el disco de acreción dirige el espectáculo y modelos en los que domina el campo magnético.

Al principio, en los años 80, los investigadores magnetizaron un poco los discos de acreción en sus simulaciones. En estos modelos, más tarde denominados SANE, un acrónimo de «evolución estable y normal», el plasma se arremolina alrededor del agujero negro como el agua alrededor de un desagüe, y las líneas de campo magnético fluctuantes, débiles y orientadas al azar se arremolinan con él. La turbulencia del campo hace que las partículas choquen y pierdan energía y momento angular, lo que les permite caer en el agujero negro en lugar de simplemente orbitar alrededor de él. A medida que el plasma cae, genera líneas de campo magnético débiles en el orificio. Las líneas de campo se acumulan gradualmente en él y se mantienen allí por la entrada de plasma. Eventualmente, el agujero negro retuerce este campo enredado lo suficiente como para lanzar un chorro.

Luego, a fines de la década de 1990, investigadores como Ramesh Narayan de la Universidad de Harvard comenzaron a aumentar la fuerza del campo magnético alrededor de sus agujeros negros simulados solo para ver qué pasaba. Estos físicos encontraron que cuando el campo es lo suficientemente fuerte, se vuelve coherente en lugar de turbulento, y controla el disco de acreción en lugar de al revés. Las líneas de campo magnético forman un campo de fuerza literal alrededor del agujero negro, actuando como la funda para un chorro y evitando que el plasma caiga en el agujero. La materia a veces encuentra una abertura, de repente se tambalea a través de la barrera magnética y se desliza hacia el abismo. Pero en su mayor parte, el disco está bloqueado en su lugar. Estas simulaciones se conocieron como «disco detenido magnéticamente» o modelos MAD.

“Durante mucho tiempo, la gente pensó que el escenario SANE era más natural”, dijo Andrew Chael, físico de la Universidad de Princeton y miembro del equipo EHT que se especializa en modelos MAD. El gas caliente que se desplaza hacia el agujero negro desde lejos «no cae de manera coherente», dijo, por lo que no había razón para esperar que el magnetismo migrara hacia adentro con el gas para combinarse en algo ordenado y fuerte. “Hace cinco años, todo el mundo hacía principalmente simulaciones SANE”, dijo Chael.

Pero la nueva imagen de luz polarizada del Telescopio Event Horizon de alrededor del agujero negro de M87* apunta firmemente en la dirección MAD. La luz polarizada vibra en un solo plano, generalmente después de reflejarse en una superficie o cuando es emitida por partículas cargadas cuyas trayectorias se curvan uniformemente en un campo magnético. El patrón en espiral de la foto transmite que el plano de vibración de la luz gira a medida que miras diferentes lugares alrededor del anillo, exactamente como se espera si las partículas que irradian la luz giran alrededor de líneas de campo magnético que tienen un patrón en espiral coherente.

Una situación SANA, con campos débiles y turbulentos, dijeron los expertos, crearía un patrón de polarización mucho más débil. Tal como está, el campo en toda la región es fuerte, tanto como la mitad de fuerte que el de un imán de nevera, dijo Issaoun, «pero también es del tamaño de un sistema solar«.

El camino recto

Para comprender el origen del campo magnético curiosamente fuerte alrededor del agujero de M87* (y potencialmente todos los demás agujeros negros supermasivos con chorros), los especialistas primero deben descifrar el código del patrón de polarización en rayas. “En este momento, la gente está tratando de inferir a través de la ingeniería inversa cómo se ven los campos”, dijo Chen.

Mientras tanto, otros investigadores han comenzado a alejarse de la situación de MAD; están simulando una región más grande alrededor del agujero negro para estudiar cómo las estrellas podrían generar los campos magnéticos que migran hacia el centro. “Conectar este [magnetismo] a escalas más grandes será algo realmente importante en los próximos años”, dijo Chael.

Tomando el enfoque opuesto, un trío de jóvenes investigadores, Sasha Philippov, Benoît Cerutti y Kyle Parfrey, se están acercando a las partículas cargadas que disparan el chorro. Sus simulaciones detalladas a nivel de partículas, que requieren millones de horas de CPU, sugieren que las partículas surgen principalmente de colisiones de fotones sobre los polos del agujero negro, robando energía del agujero a medida que salen disparadas desde allí.

El estudio de las partículas puede ser necesario para determinar la estructura general de los chorros y su efecto en las galaxias y el espacio intergaláctico que atraviesan. Muchos jets son delgados y brillantes en toda su longitud. “¿Cómo brilla? ¿Cómo lo vemos? se pregunta Chen. En el caso del jet de M87*, “lo vemos muy claro en el cielo. A veces se rompe en nudos, y a veces es continuo, pero es notablemente recto y delgado. Comprender eso definitivamente nos ayudará a comprender cómo interactúa con el medio galáctico e intergaláctico, por ejemplo, cómo transfiere energía a la galaxia”.

La colaboración EHT continuará guiando estos esfuerzos. Para fines de este año planean publicar un vistazo al agujero negro en el centro de nuestra propia galaxia, una bestia tranquila llamada Sagitario A* que puede o no tener un chorro débil. Las observaciones de seguimiento del agujero negro de M87* mostrarán cómo el entorno de ese agujero varía con el tiempo, lo que limitará la velocidad a la que gira.

Incluso mientras se escribe la historia de los chorros de los agujeros negros, la sensación de asombro de los físicos sobre ellos parece, hasta ahora, intacta. “Solo tienes que mirar estos chorros”, dijo Blandford, quien continúa teorizando sobre ellos. «Son cosas totalmente rectas. Son como líneas en el cielo, algunas de ellas. … Es asombroso que la naturaleza sea capaz de hacer estas estructuras. Sí, estoy impresionado«.

Referencia

• Michael O’ Riordan et al. «Observational Signatures of Mass-loading in Jets Launched by Rotating Black Holes». The Astrophysical Journal, Volume 853, Number 1. https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/aaa0c4