Después de décadas de progreso constante, los astrofísicos computacionales han alcanzado un importante punto de inflexión en la investigación de los agujeros negros. Un nuevo estudio presenta el modelo más detallado y completo del crecimiento de los agujeros negros luminosos, el proceso mediante el cual los agujeros negros atraen la materia circundante y emiten una intensa radiación. Utilizando las supercomputadoras más potentes del mundo, los investigadores han calculado con éxito cómo fluye la materia hacia los agujeros negros, explicando plenamente tanto la teoría de la gravedad de Einstein como el papel dominante de la radiación, sin depender de atajos simplificadores.
Este logro marca la primera vez que se realizan cálculos de este tipo en plena relatividad general en condiciones dominadas por la radiación. Los resultados abren una nueva ventana sobre cómo se comportan los agujeros negros en entornos extremos que antes estaban fuera del alcance de las simulaciones.
Quién dirigió la investigación y dónde se publicó.
El estudio fue publicado Diario astrofísico y dirigido por científicos del Instituto de Estudios Avanzados y el Centro de Astrofísica Computacional del Instituto Flatiron. Este representa el primer artículo de una serie planificada que presentará el nuevo marco computacional del equipo y lo aplicará a una variedad de sistemas de agujeros negros.
“Esta es la primera vez que hemos podido ver lo que sucede cuando los procesos físicos más importantes en la acreción de agujeros negros se incluyen adecuadamente. Estos sistemas son altamente no lineales: cualquier suposición de simplificación excesiva puede cambiar completamente los resultados. Lo más emocionante es que nuestras simulaciones ahora reproducen el comportamiento de los sistemas de manera notablemente consistente con el comportamiento de los sistemas vistos a través de agujeros negros. Con los binarios de rayos X, en cierto sentido, vemos estos sistemas no a través de un telescopio, sino a través de una computadora”, observó, dijo la autora principal Lizhong Zhang.
Zhang es investigador postdoctoral conjunto en el Instituto de Estudios Avanzados de la Facultad de Ciencias Naturales y el Instituto Flatiron de Astrofísica Computacional. Comenzó el proyecto en su primer año en IAS (2023-24) y continuó el trabajo en Flatiron.
¿Por qué el modelo del agujero negro necesita relatividad y radiación?
Cualquier modelo realista de un agujero negro debe incluir la relatividad general, ya que la intensa gravedad de estos objetos curva el espacio y el tiempo de manera extrema. Pero la gravedad por sí sola no es suficiente. Cuando una gran cantidad de materia cae hacia un agujero negro, se libera mucha energía en forma de radiación. Seguir con precisión cómo esa radiación viaja a través del espacio-tiempo curvo e interactúa con el gas cercano es clave para comprender lo que los astrónomos realmente observan.
Hasta ahora, las simulaciones no podían abordar plenamente la combinación de estos efectos. Al igual que los modelos de aula simplificados que capturan sólo una parte de un sistema real, los enfoques anteriores se basaban en suposiciones que hacían que los cálculos fueran manejables pero imperfectos.
“Los métodos anteriores utilizaban suposiciones que trataban la radiación como una especie de fluido, que no reflejaba su comportamiento real”, explicó Zhang.
Resolver ecuaciones completas sin atajos
Estas suposiciones alguna vez fueron inevitables porque las ecuaciones subyacentes son extraordinariamente complejas y exigen enormes recursos computacionales. Combinando conocimientos adquiridos a lo largo de muchos años, el equipo desarrolló nuevos algoritmos capaces de resolver estas ecuaciones directamente.
“El nuestro es el único algoritmo que existe en este momento que proporciona una solución que trata la radiación como realmente es en la relatividad general”, dijo Zhang.
Este avance permite a los investigadores simular entornos de agujeros negros con un nivel de realismo que antes era imposible.
Centrándose en los agujeros negros de masa estelar
La investigación se centró en los agujeros negros de masa estelar, que normalmente tienen masas alrededor de 10 veces la del Sol. Estos objetos son mucho más pequeños que Sgr A*, el agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea, pero ofrecen ventajas únicas para su estudio.
Aunque los astrónomos han producido imágenes detalladas de agujeros negros supermasivos, los agujeros negros de masa estelar aparecen sólo como pequeños puntos de luz. Los científicos deben analizar la luz que emiten dividiéndola en un espectro, que revela cómo se distribuye la energía alrededor del agujero negro. Debido a que los agujeros negros de masa estelar evolucionan en minutos u horas en lugar de años o siglos, permiten a los investigadores observar cambios rápidos en tiempo real.
Simulaciones que coinciden con observaciones reales.
Utilizando su nuevo modelo, los investigadores siguieron cómo la materia gira en espiral hacia adentro, creando discos inestables dominados por la radiación alrededor de agujeros negros de masa estelar. Las simulaciones también muestran la formación de fuertes vientos que soplan hacia el exterior y, en algunos casos, fuertes chorros.
Es importante destacar que el espectro de luz simulado se asemeja mucho a lo que los astrónomos observan en sistemas reales. Este fuerte acuerdo permite sacar conclusiones más confiables a partir de datos de observación limitados y profundizar la comprensión de los científicos sobre cómo funcionan estos objetos distantes.
Avance que impulsa las supercomputadoras
El Instituto de Estudios Avanzados tiene una larga trayectoria en el avance de la ciencia a través de modelos computacionales. Uno de los primeros hitos fue el proyecto de computadora electrónica dirigido por el profesor fundador (1933-1955) John von Neumann, que influyó en campos que iban desde la dinámica de fluidos hasta la ciencia del clima y la física nuclear.
Siguiendo esa tradición, Zhang y sus colegas tuvieron acceso a dos de las supercomputadoras más poderosas del mundo, Frontier en el Laboratorio Nacional Oak Ridge y Aurora en el Laboratorio Nacional Argonne. Estas máquinas a exaescala pueden realizar quintillones de cálculos por segundo y ocupar miles de pies cuadrados de espacio, lo que recuerda el enorme tamaño de las primeras computadoras.
Aprovechar esta potencia informática requiere matemáticas sofisticadas y software diseñado específicamente para la tarea. Christopher White del Instituto Flatiron y la Universidad de Princeton dirigió el desarrollo del algoritmo de transporte radiativo. Patrick Mullen, miembro de la Facultad de Ciencias Naturales (2021-22) y ahora en el Laboratorio Nacional de Los Álamos, dirigió la integración de este algoritmo en el código Athena, que está optimizado para sistemas de exaescala.
¿Qué sigue en la investigación de los agujeros negros?
El equipo planea probar si su enfoque se puede aplicar a todo tipo de agujeros negros. Más allá de los sistemas de masas estelares, las simulaciones también pueden arrojar nueva luz sobre los agujeros negros supermasivos, que desempeñan un papel central en la formación de galaxias. El trabajo futuro perfeccionará aún más cómo interactúa la radiación con la materia en una amplia gama de temperaturas y densidades.
“Lo que hace que este proyecto sea único es, por un lado, el tiempo y el esfuerzo necesarios para desarrollar las matemáticas aplicadas y el software capaz de modelar estos sistemas complejos y, por otro lado, la gran asignación de las supercomputadoras más grandes del mundo para realizar estos cálculos”, dijo el coautor James Stone, profesor de la Escuela del Instituto de Estudios Avanzados. “La tarea ahora es comprender toda la ciencia que surge de ello.
