Los investigadores han desarrollado las simulaciones más detalladas hasta la fecha de cómo la materia se acumula alrededor de los agujeros negros, incorporando la relatividad general completa y efectos de radiación. Liderado por Lizhong Zhang del Institute for Advanced Study y el Flatiron Institute, el estudio coincide con observaciones astronómicas reales. Publicado en The Astrophysical Journal, se centra en agujeros negros de masa estelar y utiliza supercomputadoras potentes.
Los astrofísicos computacionales han logrado un avance significativo en el modelado de la acreción en agujeros negros, el proceso por el cual estos objetos cósmicos atraen materia circundante y liberan radiación intensa. El nuevo estudio, publicado en The Astrophysical Journal, introduce un marco computacional que calcula los flujos de materia hacia los agujeros negros sin suposiciones simplificadoras, teniendo plenamente en cuenta la relatividad general de Einstein y condiciones dominadas por radiación.
Liderado por Lizhong Zhang, becario postdoctoral conjunto en la School of Natural Sciences del Institute for Advanced Study y el Center for Computational Astrophysics del Flatiron Institute, la investigación comenzó durante el primer año de Zhang en el Institute en 2023-24 y continuó en Flatiron. «Es la primera vez que hemos podido ver qué sucede cuando se incluyen con precisión los procesos físicos más importantes en la acreción de agujeros negros», dijo Zhang. «Estos sistemas son extremadamente no lineales: cualquier suposición simplificadora puede cambiar completamente el resultado. Lo más emocionante es que nuestras simulaciones ahora reproducen comportamientos notablemente consistentes en sistemas de agujeros negros observados en el cielo, desde fuentes ultraluminosas de rayos X hasta binarias de rayos X».
Los modelos se centran en agujeros negros de masa estelar, que tienen alrededor de 10 veces la masa del Sol. A diferencia de los agujeros negros supermasivos, estos objetos más pequeños evolucionan rápidamente en minutos a horas, lo que permite observaciones en tiempo real mediante análisis espectral de su luz emitida. Las simulaciones muestran materia espiralando hacia adentro para formar discos turbulentos y luminosos, junto con vientos que fluyen hacia afuera y chorros ocasionales.
Para lograrlo, el equipo accedió a supercomputadoras de escala exaescala como Frontier en Oak Ridge National Laboratory y Aurora en Argonne National Laboratory. Las contribuciones clave incluyeron algoritmos de transporte de radiación desarrollados por Christopher White del Flatiron y Princeton University, e integración en el código AthenaK por Patrick Mullen, anteriormente en el Institute y ahora en Los Alamos National Laboratory.
El coautor James Stone, profesor en el Institute, destacó las demandas del proyecto: «Lo que hace único a este proyecto es, por un lado, el tiempo y esfuerzo invertidos en desarrollar las matemáticas aplicadas y el software capaz de modelar estos sistemas complejos, y por otro, tener una asignación muy grande en las supercomputadoras más potentes del mundo para realizar estos cálculos. Ahora la tarea es entender toda la ciencia que está saliendo de ello».
Este primer artículo de una serie allana el camino para aplicar el marco a diversos tipos de agujeros negros, potencialmente iluminando los supermasivos que influyen en la formación de galaxias. Los espectros simulados se alinean estrechamente con los datos astronómicos, mejorando las interpretaciones de estos objetos enigmáticos.