La comprensión de cómo los agujeros negros generan espectáculos luminosos a partir de la materia que los rodea ha dado un salto significativo gracias a simulaciones avanzadas que realizó un equipo internacional de astrofísicos computacionales.
Utilizando supercomputadoras de última generación, los investigadores han logrado modelar con precisión el comportamiento de la materia y la luz en las inmediaciones de estos objetos, aportando nuevas claves sobre fenómenos observados en el universo primigenio y en sistemas de rayos X.
El estudio, publicado en The Astrophysical Journal, introduce un enfoque computacional que supera las limitaciones de trabajos anteriores al incorporar de manera rigurosa la relatividad general de Albert Einstein.
Este avance permite analizar cómo la luz interactúa con la materia bajo la influencia de la intensa gravedad de los agujeros negros, sin recurrir a las simplificaciones habituales que trataban la radiación como un fluido. Según Lizhong Zhang, autor principal e investigador del Instituto Flatiron de la Fundación Simons en Nueva York, “esta es la primera vez que hemos podido ver qué sucede cuando se incluyen con precisión los procesos físicos más importantes en la acreción de los agujeros negros”.
Cómo realizaron el estudio
El equipo, que incluye colaboradores del Instituto de Estudios Avanzados (IAS) de Princeton, el Centro de Astrofísica Computacional (CCA) del Instituto Flatiron, el Laboratorio Nacional de Los Álamos y la Universidad de Virginia, ha desarrollado algoritmos capaces de resolver directamente las ecuaciones relativistas generales. Zhang explica que “el nuestro es el único algoritmo existente actualmente que ofrece una solución al tratar la radiación tal como es en la relatividad general”. Este método, fruto de décadas de investigación, evita sacrificar precisión y no exige cantidades desmesuradas de potencia computacional.
Uno de los aportes más relevantes de estas simulaciones es su capacidad para reproducir comportamientos observados en una amplia variedad de sistemas de agujeros negros, desde fuentes ultraluminosas de rayos X hasta sistemas binarios.
Zhang destaca que “nuestras simulaciones ahora reproducen comportamientos notablemente consistentes en todos los sistemas de agujeros negros observados en el cielo, desde fuentes ultraluminosas de rayos X hasta sistemas binarios de rayos X. En cierto sentido, hemos logrado ‘observar’ estos sistemas no a través de un telescopio, sino mediante una computadora”.
Los resultados obtenidos ofrecen una explicación para los llamados pequeños puntos rojos (LRD), objetos tenues y extraños detectados en el universo temprano por el Telescopio Espacial James Webb. La teoría respaldada por el nuevo modelo sugiere que estos puntos corresponden a agujeros negros que consumen material a través de un proceso denominado “acreción de super-Eddington” en los núcleos de galaxias primigenias.
Las simulaciones indican que estos objetos podrían estar emitiendo más luz que el límite de Eddington, es decir, superando el equilibrio entre la fuerza gravitacional y la presión de radiación, lo que implica que irradian más energía de la que la gravedad puede retener.
El artículo se centra en la acreción en agujeros negros de masa estelar, que poseen alrededor de diez veces la masa del Sol, en contraste con los agujeros negros supermasivos como Sagitario A*, situado en el centro de la Vía Láctea, cuya masa supera los 4 millones de veces la del Sol.
Mientras que los agujeros negros supermasivos pueden ser observados mediante imágenes de alta resolución, los de masa estelar solo se detectan como puntos de luz, lo que obliga a los científicos a analizar su espectro para cartografiar la distribución de energía a su alrededor. Estos sistemas, además, evolucionan en escalas de tiempo humanas —de minutos a horas—, lo que facilita el estudio de su dinámica en tiempo real.
Las simulaciones muestran cómo la materia se desplaza en espiral hacia los agujeros negros de masa estelar, formando discos turbulentos dominados por la radiación, generando vientos potentes y, en ocasiones, chorros de alta energía.
El modelo desarrollado por el equipo coincide de manera notable con los espectros de luz obtenidos a partir de observaciones, lo que refuerza la validez de su enfoque y permite interpretar mejor los datos limitados disponibles sobre estos objetos distantes. La concordancia entre simulación y observación es crucial para avanzar en la comprensión de estos fenómenos.
Para llevar a cabo estos cálculos, el grupo de Zhang accedió a dos de las supercomputadoras más potentes del mundo, ubicadas en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge y el Laboratorio Nacional de Argonne, respectivamente. Estas máquinas de “exaescala” pueden realizar un trillón de operaciones por segundo.
No obstante, la potencia bruta no era suficiente; fue necesario desarrollar códigos y algoritmos matemáticos avanzados. Christopher White, del CCA y la Universidad de Princeton, lideró el diseño del algoritmo de transporte de radiación, mientras que Patrick Mullen, del Laboratorio Nacional de Los Álamos, se encargó de su implementación en código optimizado para computación a exaescala.
El algoritmo base, desarrollado por Yan-Fei Jiang del CCA, combina un modelo dependiente del ángulo para rastrear la radiación con una simulación del flujo de fluido alrededor de una esfera giratoria bajo un campo magnético intenso, una herramienta ampliamente utilizada en la astrofísica de objetos compactos.
De cara al futuro, el equipo planea investigar si su modelo es aplicable a todos los tipos de agujeros negros, incluyendo los supermasivos responsables de la evolución galáctica, y profundizar en la naturaleza de los pequeños puntos rojos detectados por el Telescopio Espacial James Webb. Además, buscan perfeccionar su enfoque para considerar las distintas formas en que la radiación interactúa con la materia en un amplio rango de temperaturas y densidades. James Stone, profesor del IAS y coautor del estudio, resume el desafío pendiente: “Ahora la tarea es comprender toda la ciencia que surge de esto”.
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