Investigadores de la Universidad de Helsinki han conseguido algo que se viene persiguiendo desde los años 70: descifrar la radiación de rayos X procedente del entorno de un agujero negro. La radiación se produce por el efecto combinado de campos magnéticos y el movimiento caótico del gas plasma turbulento.
Utilizando simulaciones detalladas por supercomputadora, investigadores de la Universidad de Helsinki modelaron las interacciones entre la radiación, el plasma y los campos magnéticos alrededor de los agujeros negros. Se descubrió que el movimiento caótico o turbulento causado por los campos magnéticos calienta el plasma local y lo irradia.
Concéntrese en la radiación de rayos X del disco de acreción.
Un agujero negro se crea cuando una estrella masiva colapsa en una concentración de masa tan densa que su gravedad impide que incluso la luz escape de su esfera de influencia. Esta es la razón por la que los agujeros negros sólo pueden observarse a través de sus efectos indirectos sobre el medio ambiente y no mediante la observación directa.
La mayoría de los agujeros negros observados tienen una estrella compañera, con la que forman un sistema estelar binario. En un sistema binario, los dos objetos orbitan entre sí y la materia de la estrella compañera gira lentamente en espiral hacia el agujero negro. Esta corriente de gas que fluye lentamente a menudo forma un disco de acreción alrededor del agujero negro, que es una fuente brillante y observable de rayos X.
Desde la década de 1970 se han realizado intentos para modelar la radiación procedente de flujos de acreción alrededor de los agujeros negros. En aquel momento ya se pensaba que los rayos X se producían por la interacción del gas local y los campos magnéticos, ya que el entorno del Sol se calienta por su actividad magnética a través de las erupciones solares.
“Las llamaradas en los discos de acreción de los agujeros negros son como versiones extremas de las llamaradas solares”, afirma el profesor asociado Jonas Natella. Nättilä dirige el Grupo de Investigación de Astrofísica Computacional del Plasma de la Universidad de Helsinki, que se especializa en modelar exactamente este tipo de plasma extremo.
Interacción radiación-plasma
Las simulaciones mostraron que la turbulencia alrededor de los agujeros negros es tan fuerte que los efectos cuánticos se vuelven importantes para la dinámica del plasma.
En una mezcla muestreada de plasma de electrones, positrones y fotones, la radiación de rayos X local se puede convertir en electrones y positrones, que luego pueden descomponerse nuevamente en radiación tan pronto como entren en contacto.
Nättilä describe cómo el electrón y el positrón, las antipartículas de cada uno, no suelen estar en el mismo lugar. Sin embargo, los ambientes extremadamente calientes de los agujeros negros lo hacen posible. En general, la radiación tampoco interactúa con el plasma. Sin embargo, los fotones alrededor de los agujeros negros son tan energéticos que su interacción también es importante para el plasma.
“En la vida cotidiana, los fenómenos cuánticos en los que la materia aparece repentinamente en un lugar con una luz extremadamente brillante son, por supuesto, invisibles, pero cerca de los agujeros negros adquieren importancia”, afirma Nättilä.
“Nos llevó años investigar e incorporar todos los fenómenos cuánticos que se encuentran en la naturaleza, pero al final valió la pena”, añadió.
Una imagen precisa del origen de la radiación.
El estudio demostró que el plasma turbulento produce naturalmente el tipo de radiación de rayos X que se observa en los discos de acreción. La simulación también permitió comprobar por primera vez que el plasma alrededor de los agujeros negros puede existir 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 transición entre los llamados estados blandos y duros”, explica Nättilä.
El estudio fue publicado en la revista Comunicaciones de la naturaleza. 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. El estudio forma parte de un proyecto liderado por Nättilä y financiado con una subvención inicial de 2,2 millones de euros del Consejo Europeo de Investigación, cuyo objetivo es comprender las interacciones entre el plasma y la radiación.
