Los agujeros negros supermasivos pueden generar “tsunamis” en el escape de gas.

La representación de este artista muestra un agujero negro supermasivo envuelto en polvo y características extrañas en el gas cercano. Los rayos X de alta energía del disco que rodea el agujero negro interactúan con este gas y dan lugar a dos características inusuales: Tsunamis (“ondas” azul claro sobre el disco) y una calle de vórtice de Kármán (naranja). Las simulaciones por ordenador muestran que estos fenómenos serían muy grandes, en la escala de años luz. Créditos: Ilustración de Nima Abkenar.

Los agujeros negros son misteriosos por sí mismos. Pero para los astrofísicos teóricos como Proga, un rompecabezas mayor es resolver las ecuaciones matemáticas que describen cómo los agujeros negros distorsionan sus entornos, incluso a decenas de años luz de distancia.

Cuando un agujero negro con una masa superior a un millón de soles se alimenta de material de un disco circundante en el centro de una galaxia, el sistema se denomina “núcleo galáctico activo”. Los núcleos galácticos activos también pueden tener chorros relativistas en sus polos y una gruesa capa de material que bloquea nuestra vista de la actividad central. Pero el plasma que circula por encima del disco, lo suficientemente lejos como para que no caiga en el agujero negro, brilla increíblemente en rayos X, tan brillante que los astrónomos han podido catalogar más de un millón de estos objetos.

Los fuertes vientos, al menos en parte impulsados ​​por esta radiación, salen de esta región central en lo que se llama un “flujo de salida”. Los investigadores quieren comprender las complicadas interacciones del gas con los rayos X, y no solo cerca del horizonte de eventos, donde se producen esos rayos X. Los efectos de estos rayos X centrales pueden ser importantes hasta a decenas de años luz del agujero negro. Además de lanzar flujos de salida, la irradiación de rayos X puede explicar la presencia de varias poblaciones de regiones más densas, llamadas nubes. El año pasado, Proga y sus colaboradores publicaron simulaciones que muestran que se pueden producir nubes más distantes dentro de un flujo de salida.

“Estas nubes son diez veces más calientes que la superficie del Sol y se mueven a la velocidad del viento solar, por lo que son objetos bastante exóticos, y por los que no querríamos que volara un avión”, dijo el autor principal Tim Waters, investigador postdoctoral en UNLV, quien también es científico invitado en el Laboratorio Nacional de Los Álamos.

Ahora, el grupo ha demostrado por primera vez cuán complicadas son realmente las nubes dentro de estos flujos de salida del motor del agujero negro central. Sus simulaciones muestran que justo dentro de la distancia donde el agujero negro supermasivo pierde su control sobre la materia circundante, la atmósfera relativamente fría del disco giratorio puede formar ondas, similares a la superficie del océano. Al interactuar con los vientos calientes, estas ondas pueden alzarse en estructuras de vórtice en espiral que pueden alcanzar una altura de 10 años luz por encima del disco. Eso es más del doble de la distancia desde el Sol a su estrella más cercana, que es un poco más de 4 años luz. Cuando se producen las nubes en forma de tsunami, ya no están influidas por la gravedad del agujero negro.

Las simulaciones muestran cómo la luz de rayos X proveniente del plasma cerca del agujero negro primero infla las bolsas de gas caliente dentro de la atmósfera del disco de acreción, más allá de una cierta distancia del núcleo galáctico activo. El plasma calentado se eleva como un globo, expandiéndose e interrumpiendo el gas más frío circundante. Puede ser abrasador, de cientos de miles a decenas de millones de grados, sin importar qué unidad de medida se pueda usar.

En lugar de que una erupción volcánica submarina cause tsunamis, estas bolsas calientes de gas en las afueras del disco de acreción inician la perturbación, que se propaga hacia afuera. A medida que las partículas de gas forman una estructura gigantesca similar a un tsunami, se bloquea el viento del disco de acreción, generando un patrón separado de estructuras espirales conocido como una calle de vórtice de Kármán, con cada vórtice que abarca un año luz de tamaño. El fenómeno lleva el nombre del físico Theodore von Kármán, uno de los fundadores del Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) de la NASA.

Todo esto puede parecer exótico y lejano, pero las calles de vórtices de Kármán son patrones climáticos comunes en la Tierra por los que los ingenieros estructurales deben preocuparse, especialmente en lo que respecta a los puentes.

Los nuevos resultados contradicen una teoría de toda la vida de que las nubes en las proximidades de un núcleo galáctico activo se forman espontáneamente a partir de gas caliente, a través de la acción de una inestabilidad de fluido. También van en contra de la idea de que se necesitan campos magnéticos para impulsar el gas más frío de un disco al viento.

“Si bien todo tiene sentido en retrospectiva, inicialmente fue bastante confuso observar que la inestabilidad térmica no puede producir gas frío directamente pero, sin embargo, puede ocupar el lugar de los campos magnéticos al elevar el gas frío al viento”, dijo Waters.

Con estas simulaciones, los investigadores esperan trabajar con astrónomos de observación para usar telescopios para buscar signos de esta dinámica.

Ningún satélite actualmente en órbita puede confirmar sin ninguna duda estos nuevos hallazgos. Pero el Observatorio de Rayos X Chandra de la NASA y el XMM-Newton de la Agencia Espacial Europea han detectado plasma cerca de núcleos galácticos activos con temperaturas y velocidades consistentes con las simulaciones.

La evidencia más sólida puede provenir de misiones futuras. La próxima misión IXPE de la NASA, que se lanzará en noviembre, puede contribuir a que los científicos comprendan estos fenómenos. La Misión de Espectroscopia y Imágenes de Rayos X (XRISM), una colaboración entre la NASA y la Agencia Espacial Japonesa (JAXA), podría estudiar estos fenómenos cuando se lance a finales de esta década. La Agencia Espacial Europea también está planeando una misión llamada ATHENA, el telescopio avanzado para astrofísica de alta energía, que también tiene esta capacidad.

Hasta entonces, los investigadores seguirán mejorando sus modelos y comparándolos con los datos disponibles, atrapados en el torbellino de este misterio.

Editado por Carolina Gutiérrez Rama.