Las simulaciones de supercomputadoras explican el poderoso Jet de agujeros negros: confirma la teoría de la relatividad general de Einstein

Confirmación adicional de la teoría de la relatividad general de Einstein.

La galaxia Messier 87 (M87) se encuentra a 55 millones de años luz de la Tierra en la constelación de Virgo. Es una galaxia gigante con 12.000 cúmulos globulares, lo que hace que el vía LácteaLos 200 cúmulos globulares parecen modestos en comparación. A calabozo de seis mil quinientos millones de masas solares se encuentra en el centro de M87. Es el primer agujero negro del que hay una imagen, creado en 2019 por la colaboración de investigación internacional Event Horizon Telescope.

Este agujero negro (M87 *) dispara un chorro de plasma cercano a la velocidad de la luz, un chorro llamado relativista, en una escala de 6.000 años luz. La enorme energía necesaria para impulsar este chorro probablemente proviene de la atracción gravitacional del agujero negro, pero aún no está del todo claro cómo ocurre un chorro como este y qué lo mantiene estable a lo largo de la gran distancia.

El modelo teórico (teoría) y las observaciones astronómicas (observación) del lugar de lanzamiento del chorro relativista de M87 son una gran combinación. Crédito: Alejandro Cruz-Osorio

El agujero negro M87 * atrae materia que gira en un disco en órbitas cada vez más pequeñas hasta que es tragada por el agujero negro. El jet se lanza desde el centro del disco de acreción que rodea a M87 y físicos teóricos de la Universidad Goethe, junto con científicos de Europa, Estados Unidos y China, han modelado esta región con gran detalle.

Utilizaron simulaciones de supercomputadoras tridimensionales altamente sofisticadas que utilizan la asombrosa cantidad de un millón de horas de CPU por simulación y tuvieron que resolver simultáneamente las ecuaciones de relatividad general de Albert Einstein, las ecuaciones electromagnéticas de James Maxwell y las ecuaciones de dinámica de fluidos de Leonardo Euler.

A lo largo de las líneas del campo magnético, las partículas se aceleran de manera tan eficiente que forman un chorro a una escala de 6.000 años luz en el caso de M87. Crédito: Alejandro Cruz-Osorio

El resultado fue un modelo en el que los valores calculados para temperaturas, densidades de materia y campos magnéticos corresponden notablemente bien a lo que se infirió a partir de observaciones astronómicas. Sobre esta base, los científicos pudieron rastrear el movimiento complejo de los fotones en el espacio-tiempo curvo de la región más interna del chorro y traducirlo en imágenes de radio. Luego pudieron comparar estas imágenes modeladas por computadora con observaciones realizadas utilizando numerosos radiotelescopios y satélites durante las últimas tres décadas.

El Dr. Alejandro Cruz-Osorio, autor principal del estudio, comenta: “Nuestro modelo teórico de la emisión electromagnética y la morfología del chorro de M87 coincide sorprendentemente bien con las observaciones en los espectros de radio, ópticos e infrarrojos. Esto nos dice que el agujero negro supermasivo M87 * probablemente gira mucho y que el plasma está fuertemente magnetizado en el chorro, acelerando las partículas a escalas de miles de años luz «.

El profesor Luciano Rezzolla, del Instituto de Física Teórica de la Universidad Goethe de Frankfurt, comenta: «El hecho de que las imágenes que calculamos estén tan cerca de las observaciones astronómicas es otra confirmación importante de que la teoría de la relatividad general de Einstein es la explicación más precisa y natural que la existencia de agujeros negros supermasivos en el centro de las galaxias. Si bien todavía hay espacio para explicaciones alternativas, los resultados de nuestro estudio hicieron que esta sala fuera mucho más pequeña «.

Referencia: «Modelado morfológico y energético de última generación del sitio de lanzamiento del jet M87» por Alejandro Cruz-Osorio, Christian M. Fromm, Yosuke Mizuno, Antonios Nathanail, Ziri Younsi, Oliver Porth, Jordy Davelaar, Heino Falcke, Michael Kramer y Luciano Rezzolla, 4 de noviembre de 2021, Astronomía de la naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41550-021-01506-w