¿Cómo se forman los chorros relativistas? Los astrofísicos simulan agujeros negros para explicarlo

En el centro de cada galaxia hay un agujero negro supermasivo, es decir, agujeros negros que tienen millones o miles de millones de veces la masa del Sol. Todavía no se sabe exactamente cómo llegaron al centro de las galaxias y cómo alcanzaron el tamaño que tienen, pero su existencia está confirmada por varias evidencias. Esto incluye dos fotografías obtenidas por la colaboración EHT.

Uno de los agujeros negros de la fotografía, llamado M87*, fue elegido como objetivo debido a su tamaño y distancia, así como a la existencia de un chorro relativista fotografiado en 2000 por el Hubble. Algunos agujeros negros supermasivos emiten chorros relativistas, que son haces de partículas que se mueven a velocidades cercanas a la de la luz. Estos chorros se forman por la interacción del agujero negro con el disco de acreción, pero el mecanismo aún es incierto.

Un grupo de investigadores publicó recientemente un artículo cuyo objetivo es comprender cómo se forman los chorros relativistas. El grupo utilizó simulaciones numéricas llamadas GRMHD para estudiar la formación de chorros relativistas y cómo los agujeros negros pierden energía. La idea es entender cómo funciona el mecanismo y por qué los chorros son tan energéticos.

Chorros relativistas

Los agujeros negros pueden emitir chorros llamados chorros relativistas. Estos chorros suelen ser dos haces simétricos de partículas extremadamente energéticas que viajan a velocidades cercanas a la de la luz. Los chorros se forman en regiones cercanas al horizonte de eventos y están compuestos principalmente de plasma. Algunos de estos chorros se extienden millones de años luz en el espacio.

La pregunta abierta es cómo se forman estos chorros, porque todavía no hay una explicación definitiva. Algunas de las explicaciones más aceptadas son que se generan por la interacción entre el agujero negro y el disco de acreción. La rotación del agujero negro y los campos magnéticos presentes en la región pueden acelerar y colimar estas partículas, formando el chorro.

Efecto Blandford-Znajek

Una de estas interacciones se explica por un efecto llamado efecto Blandford-Znajek. Este efecto describe un mecanismo que ocurriría alrededor de los agujeros negros donde parte de la energía rotacional de un agujero de Kerr sería extraída por campos magnéticos. Los agujeros negros de Kerr son agujeros negros que tienen momento angular, es decir, giran alrededor de un eje.

Según este mecanismo, el campo magnético presente en el disco de acreción se conecta con el agujero negro y, debido a la rotación, se retuerce, generando un flujo de energía y partículas que son expulsadas en chorros. La energía extraída del agujero negro se convierte en energía cinética y electromagnética de los chorros, que viajan a velocidades cercanas a la de la luz.

Simulación de agujeros negros

Para intentar explicar este mecanismo en detalle, un grupo de investigadores utilizó simulaciones por computadora conocidas como GRMHD. El modelo GRMHD simula el comportamiento de este plasma magnetizado alrededor del agujero negro y permite estudiar la interacción entre el campo magnético, el disco de acreción y el agujero negro. La simulación tridimensional devuelve información como densidad, presión, velocidad y campos magnéticos.

El objetivo principal del trabajo fue determinar cómo el flujo magnético alrededor del agujero negro influye en la extracción de energía y la formación de chorros. Las simulaciones modelaron delgados discos de acreción magnetizados y analizaron la cantidad de energía transferida por el agujero negro a sus alrededores. Al estudiar la eficiencia, el equipo identificó configuraciones rotacionales y campos magnéticos que dan lugar a la formación de los chorros.

¿Cómo pierden energía los agujeros negros?

Las simulaciones revelaron que, dependiendo de la rotación del agujero negro, entre el 10 % y el 70 % de la energía extraída por el efecto Blandford-Znajek se dirige hacia los chorros. Además, demostraron que los agujeros negros que giran más rápido liberan más energía. La otra parte de esta energía es reabsorbida por el disco de acreción o se disipa en forma de calor.

Los modelos también mostraron que los campos magnéticos fuertes aumentan la eficiencia radiativa del disco, haciéndolo más brillante. Este aumento de luminosidad puede explicar por qué algunos agujeros negros parecen más brillantes de lo previsto en la teoría. La energía no utilizada cerca del agujero negro puede calentar el disco y contribuir a la formación de la corona.

Referencia de la noticia:

Dhang et al. 2025 Energy Extraction from a Black Hole by a Strongly Magnetized Thin Accretion Disk The Astrophysical Journal