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| Simulación de las líneas de campo magnético (verde) que rodean un agujero negro (izquierda). Cuando las líneas de campo se rompen y vuelven a conectarse, se forman bolsas de plasma (centro de los círculos verdes). Estas bolsas de plasma se lanzan hacia el interior del agujero negro o hacia el espacio, drenando la energía del campo magnético. Crédito: A. Bransgrove et al./Physical Review Letters 2021 |
Los
agujeros negros
no son lo que comen. La relatividad general de Einstein predice que,
independientemente de lo que consuma un agujero negro, sus propiedades
externas solo dependen de su masa, rotación y carga eléctrica. Todos los demás
detalles sobre su dieta desaparecen. Los astrofísicos llaman caprichosamente a
esto la conjetura del no pelo. (Los agujeros negros, dicen, "no tienen pelo").
Sin embargo, hay una amenaza potencialmente peluda para la
conjetura. Los agujeros negros pueden nacer con un fuerte campo magnético u
obtenerlo comiendo material magnetizado. Ese campo debe desaparecer
rápidamente para que la conjetura de la ausencia de pelo se mantenga. Pero los
agujeros negros reales no existen de forma aislada. Pueden estar rodeados de
plasma -gas tan energizado que los electrones se han desprendido de sus
átomos- que puede sostener el campo magnético, desmintiendo potencialmente la
conjetura.
Utilizando simulaciones por superordenador de un agujero
negro rodeado de plasma, investigadores del
Centro de Astrofísica Computacional (CCA) del
Flatiron Institute de Nueva York, la Universidad de Columbia y la
Universidad de Princeton han descubierto que la conjetura de la
ausencia de pelo se mantiene. El equipo informa de sus
resultados el 27 de julio en Physical Review Letters.
"La conjetura de la ausencia de pelo es una piedra angular de la
relatividad general", afirma el coautor del estudio, Bart Ripperda,
investigador del CCA y becario postdoctoral en Princeton. "Si un agujero negro
tiene un campo magnético de larga duración, entonces se viola la conjetura del
no-pelo. Por suerte, la física del plasma aportó una solución que evitó que se
rompiera la conjetura del no-pelo".
Las simulaciones del equipo
mostraron que las líneas de campo magnético alrededor del agujero negro se
rompen y vuelven a conectarse rápidamente, creando bolsas llenas de plasma que
se lanzan al espacio o caen en las fauces del agujero negro. Este proceso
agota rápidamente el campo magnético y podría explicar las erupciones
observadas cerca de los agujeros negros supermasivos, informan los
investigadores.
"Los teóricos no pensaron en esto porque suelen poner sus agujeros negros en
el vacío", dice Ripperda. "Pero en la vida real, a menudo hay plasma, y el
plasma puede sostener y traer campos magnéticos. Y eso tiene que encajar con
su conjetura de que no hay pelo".
Ripperda es coautor del estudio con la estudiante graduada de
Columbia Ashley Bransgrove y el científico investigador asociado del
CCA Sasha Philippov, que también es investigador visitante en
Princeton.
Crédito: Fundación Simons
Un estudio de 2011 sobre el problema sugería que la conjetura de la ausencia de pelo estaba en problemas. Sin embargo, ese estudio solo examinaba estos sistemas a baja resolución y trataba el plasma como un fluido. Sin embargo, el plasma que rodea a un agujero negro está tan diluido que las partículas rara vez chocan entre sí, por lo que tratarlo como un fluido es una simplificación excesiva.
En el nuevo estudio, los investigadores realizaron simulaciones de física de plasma de alta resolución con un modelo relativista general del campo magnético de un agujero negro. En total, se necesitaron 10 millones de horas de CPU para realizar todos los cálculos. "No habríamos podido realizar estas simulaciones sin los recursos informáticos del Instituto Flatiron", afirma Ripperda.
Las simulaciones resultantes mostraron cómo evoluciona el campo magnético alrededor de un agujero negro. Al principio, el campo se extiende en un arco desde el polo norte del agujero negro hasta su polo sur. Después, las interacciones dentro del plasma hacen que el campo se expanda hacia fuera. Esta apertura hace que el campo se divida en líneas de campo magnético individuales que irradian hacia fuera del agujero negro.
Las líneas de campo alternan su dirección, ya sea hacia el horizonte de sucesos o alejándose de él. Las líneas de campo magnético cercanas se conectan, creando un patrón trenzado de líneas de campo que se unen y se separan. Entre dos de estos puntos de conexión, existe un hueco que se llena de plasma. El plasma es energizado por el campo magnético, lanzándose hacia el espacio o hacia el interior del agujero negro. A medida que el proceso continúa, el campo magnético pierde energía y acaba marchitándose.
Lo más importante es que el proceso ocurre rápidamente. Los investigadores descubrieron que el agujero negro agota su campo magnético a un ritmo del 10% de la velocidad de la luz. "La rápida reconexión salvó la conjetura de la ausencia de pelo", afirma Ripperda.
Los investigadores proponen que el mecanismo que impulsa las llamaradas observadas del agujero negro supermasivo situado en el centro de la galaxia Messier 87 podría explicarse por el proceso de calvicie observado en las simulaciones. Las comparaciones iniciales entre ellas parecen prometedoras, dicen, aunque se necesita una evaluación más sólida. Si efectivamente coinciden, las llamaradas energéticas impulsadas por la reconexión magnética en los horizontes de sucesos de los agujeros negros podrían ser un fenómeno muy extendido.
Fuentes créditos y referencias:
Ashley Bransgrove et al, Magnetic Hair and Reconnection in Black Hole Magnetospheres, Physical Review Letters (2021). DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.055101