La Supercomputadora Proporciona Nueva Información Sobre Los Chorros De Agujeros Negros

La supercomputadora proporciona una nueva visión de los agujeros negros

A través de las primeras simulaciones de supercomputadoras de su tipo, los investigadores, incluido un Northwestern University profesor, han obtenido una nueva visión de uno de los fenómenos más misteriosos de la astronomía moderna: el comportamiento de los chorros relativistas que se disparan desde agujeros negros y se extienden hacia afuera a lo largo de millones de años luz.

Simulaciones avanzadas creadas con una de las supercomputadoras más poderosas del mundo muestran que las corrientes de los chorros cambian gradualmente de dirección en el cielo, o precesan, como resultado de que el espacio-tiempo se arrastra hacia la rotación de la calabozo . Este comportamiento se alinea con las predicciones de Albert Einstein sobre la gravedad extrema cerca de los agujeros negros en rotación, publicadas en su famosa teoría de la relatividad general.

“Comprender cómo los agujeros negros giratorios arrastran el espacio-tiempo a su alrededor y cómo este proceso afecta lo que vemos a través de los telescopios sigue siendo un rompecabezas crucial y difícil de resolver”, dijo Alexander Tchekhovskoy, profesor asistente de física y astronomía en el Weinberg College de Northwestern. de Artes y Ciencias. “Afortunadamente, los avances en el desarrollo de código y los avances en la arquitectura de supercomputadoras nos acercan cada vez más a encontrar las respuestas”.

El estudio, publicado en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, es una colaboración entre Tchekhovskoy, Matthew Liska y Casper Hesp. Liska y Hesp son los autores principales del estudio y estudiantes graduados de la Universidad de Ámsterdam, Países Bajos.

Los agujeros negros que giran rápidamente no solo engullen materia sino que también emiten energía en forma de chorros relativistas. De manera similar a cómo el agua en una bañera forma un remolino al bajar por un desagüe, los campos magnéticos y de gas que alimentan un agujero negro supermasivo se arremolinan para formar un disco giratorio: un espagueti enredado de líneas de campo magnético mezcladas en un caldo de gas caliente. A medida que el agujero negro consume esta sopa astrofísica, devora el caldo pero deja los espaguetis magnéticos colgando de su boca. Esto convierte al agujero negro en una especie de plataforma de lanzamiento desde la cual la energía, en forma de chorros relativistas, brota de la red de espaguetis magnéticos retorcidos.


Este La simulación producida usando la supercomputadora Blue Waters es la primera simulación que demuestra que los chorros relativistas siguen la precesión del disco de acreción inclinado alrededor del agujero negro. Con cerca de mil millones de células computacionales, es la simulación de mayor resolución de un agujero negro en crecimiento jamás lograda.

Los chorros emitidos por los agujeros negros son más fáciles de estudiar que los propios agujeros negros porque los chorros son muy grandes. Este estudio permite a los astrónomos comprender qué tan rápido está cambiando la dirección del chorro, lo que revela información sobre el giro del agujero negro, así como la orientación y el tamaño del disco giratorio y otras propiedades difíciles de medir de la acreción del agujero negro.

Mientras que casi todas las simulaciones anteriores consideraban discos alineados, en realidad, se cree que la mayoría de los agujeros negros supermasivos centrales de las galaxias albergan discos inclinados, lo que significa que el disco gira alrededor de un eje separado del propio agujero negro. Este estudio confirma que si se inclinan, los discos cambian de dirección en relación con el agujero negro, precesionando como una peonza. Por primera vez, las simulaciones mostraron que tales discos inclinados conducen a chorros en precesión que cambian periódicamente su dirección en el cielo.

Una razón importante por la que no se descubrieron antes los chorros de precesión es que las simulaciones en 3D de la región que rodea un agujero negro que gira rápidamente requieren una enorme cantidad de poder computacional. Para abordar este problema, los investigadores construyeron el primer código de simulación de agujero negro acelerado por unidades de procesamiento gráfico (GPU). Una subvención de la National Science Foundation les permitió realizar las simulaciones en Blue Waters, una de las supercomputadoras más grandes del mundo, ubicada en la Universidad de Illinois.


A La comparación de una simulación de baja resolución (izquierda) con la simulación de alta resolución producida con Blue Waters (derecha) muestra el efecto de la resolución en los modelos de acreción inclinados. El modelo de alta resolución muestra que la precesión y la alineación se ralentizan como resultado de la expansión del disco debido a la turbulencia magnética.

La confluencia del código rápido, que utiliza eficientemente una arquitectura de GPU de vanguardia, y la supercomputadora Blue Waters permitió al equipo llevar a cabo simulaciones con la resolución más alta jamás lograda: hasta mil millones de células computacionales.

“La alta resolución nos permitió, por primera vez, asegurarnos de que los movimientos de los discos turbulentos a pequeña escala se capturan con precisión en nuestros modelos”, dijo Tchekhovskoy. “Para nuestra sorpresa, estos movimientos resultaron ser tan fuertes que hicieron que el disco se engordara y la precesión del disco se detuviera. Esto sugiere que la precesión puede producirse en ráfagas “.

Debido a que la acreción en los agujeros negros es un sistema muy complejo similar a un huracán, pero ubicado tan lejos que no podemos discernir muchos detalles, las simulaciones ofrecen una forma poderosa de dar sentido a las observaciones del telescopio y comprender el comportamiento de los agujeros negros.

Los resultados de la simulación son importantes para futuros estudios sobre agujeros negros rotativos, que actualmente se están llevando a cabo en todo el mundo. A través de estos esfuerzos, los astrónomos están intentando comprender fenómenos recientemente descubiertos, como las primeras detecciones de ondas gravitacionales desde estrella neutrón colisiones y los fuegos artificiales electromagnéticos que las acompañan, así como estrellas regulares que son engullidas por agujeros negros supermasivos.

Los cálculos también se están aplicando para interpretar las observaciones del Event Horizon Telescope (EHT), que capturó las primeras grabaciones de la sombra del agujero negro supermasivo en el centro de la Vía láctea .

Además, la precesión de los chorros podría explicar las fluctuaciones en la intensidad de la luz que proviene de los agujeros negros, llamadas oscilaciones cuasi-periódicas (QPO). Tales oscilaciones pueden ocurrir de manera similar a la forma en que el haz giratorio de un faro aumenta en intensidad a medida que pasa por un observador. Los QPO fueron descubiertos por primera vez cerca de agujeros negros (como rayos X) en 1985 por Michiel van der Klis (Universidad de Amsterdam), quien es coautor del nuevo artículo.

Publicación: M Liska, et al., “Formación de chorros de precesión por discos de agujero negro inclinados en simulaciones de MHD relativistas generales en 3D”, MNRAS, 2018; doi: 10.1093 / mnrasl / slx174

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