Espectaculares vídeos del alineamiento de Bardeen–Petterson en el disco de acreción de un agujero negro ultrarrápido

Jim Bardeen y Jacobus Petterson predijeron en 1975 que la región interior del disco de acreción de un agujero negro se alinearía con su plano ecuatorial. Se confirma dicha predicción gracias a simulaciones por ordenador con el software H-AMR de magnetohidrodinámica relativista general (GRMHD). Se publica en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society la simulación directa de un disco de acreción ultradelgado, con cociente H/R ≈ 0.03 ≈ 1.7°, en un agujero negro tipo Kerr ultrarrápido, con a = 0.9375. El disco inicial está inclinado hasta 45 grados, pero la regíon interior del disco, por debajo de ~5 radios de Schwarzschild, se alinea con el agujero negro. Los vídeos de más abajo son increíbles; parece como si el disco de acreción se rompiera en hasta tres discos con diferente ángulos de inclinación según la distancia al horizonte de sucesos que rotan de forma independiente, aunque estén conectados entre sí. Un resultado realmente espectacular, aunque esperado según la teoría.

El fenómeno predicho por Bardeen–Petterson hace 44 años no se había observado en simulaciones anteriores porque se limitaban a discos de acreción con H/R > 0.05. Lo más sorprendente es la complejidad de la dinámica del disco de acreción, que da lugar a estructuras en N con la parte central plana. Más aún, se ha simulado la formación de los chorros relativistas observados en los discos de acreción interiores alineados; resulta que estos chorros expulsan más del 20 % de la masa del disco interior, que se sostiene gracias a alimentarse de la masa de los discos de acreción que lo rodean a mayor distancia. Se cree que estos discos interiores tan delgados son responsables de los chorros (jets) en radio (radio-loud) de los cuásares, o núcleos galácticos activos (AGN). Esta última hipótesis tendrá que ser confirmada por futuras simulaciones con un tiempo de integración más largo que verifiquen que los chorros observados son estables durante mucho tiempo.

El artículo es M. Liska, A. Tchekhovskoy, …, M. van der Klis, “Bardeen–Petterson alignment, jets, and magnetic truncation in GRMHD simulations of tilted thin accretion discs,” Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS) 487: 550-561 (01 Jul 2019), doi: 10.1093/mnras/stz834. Más información divulgativa en Amanda Morris, “Most-detailed-ever simulations of black hole solve longstanding mystery,” Northwestern Now, 06 Jun 2019.

Te recomiendo ver con atención este increíble vídeo de youtube antes de seguir. En esta simulación el disco de acreción inicial está inclinado 45 grados respecto al eje de rotación del agujero negro. Se observa que la parte externa del disco rota a un ritmo diferente de la parte interior, dando lugar a una estructura en forma de letra N. La parte central de la diagonal de la letra N se vuelve a romper y se alinea con el agujero negro. Luego se recupera la forma de N y se repite el proceso.

Este segundo vídeo extrae de la simulación anterior el disco interior que se alinea con el agujero negro ilustrando la hipótesis de Bardeen–Petterson.

En estos otros dos vídeos se muestra la generación del chorro (jet) en un disco de acreción inicialmente inclinado 65 grados respecto al eje de rotación del agujero negro. En color azul se muestran el disco de acreción, que se rompe hasta en tres discos que rotan en planos independientes, y en color naranja el chorro relativista.

Los lectores interesados en los detalles de las simulaciones (que usan GPUs), o en la física de estos discos de acreción, disfrutarán leyendo el artículo en MNRAS que es de acceso gratuito. He de confesar que a mí me han resultado hipnóticos estos vídeos.



13 Comentarios

  1. No sé qué es más alucinante, si el comportamiento teórico de los AN o que tengamos herramientas para simularlo de esta forma tan espectacular, emergiendo estos transitorios dentro del régimen estacionario global durante la simulación…

  2. Muy interesante Francis. Si fuese posible, me podrías describir brevemente que son los parámetros mencionados,
    como H/R, x/Rg, etc. Muchas gracias

    1. Juan Carlos, el agujero negro simulado es tridimensional (x,y,z) y en la figura aparece el plano (x,z); Rg es el radio gravitacional o radio de Schwarzschild del agujero negro; en el plano (x,z) las unidades normalizadas de distancia son x/Rg y z/Rg. En cuando a H es la altura (o grosor) del disco de acreción y R es su radio, luego H/R es su razón de aspecto.

  3. Francis, perdona por no ser la pregunta adecuada a la nota, pero…
    Me gustaria tanto aclarar esta gran duda que tengo.
    Justo despues de la Era Oscura, los fotones salieron disparados en todas direcciones, y el universo era básicamente nubes de hidrógeno, de ese tiempo, solo cabe pensar en la creacion de estrellas supermasivas, que en poco tiempo se convertirían en miles de millones de Supernovas explotando mas o menos a la misma vez, mucho antes de la formacion de Galaxias… porque no vemos esas miles de millones de explosiones de Supernovas, y si vemos el fondo cosmico de microondas??? Si ese evento ocurrio justo despues del fin de la era oscura del Universo????
    Un saludo.

    1. Francisco, las primeras estrellas (población III) nacieron en 20 < z < 30 y la galaxia más lejana que hemos observado tiene z ~ 11. No tenemos telescopios espaciales infrarrojos capaces de observar objetos más lejanos, aunque sean supernovas que brillen tanto como una galaxia, su brillo es demasiado débil. Quizás JWST observe alguna, pero es muy difícil que lo logre.

      ¿Por qué vemos el CMB a z ~ 1100? Porque está por todas partes (las supernovas son objetos puntuales) y podemos observarlo con telescopios para microondas.

      Te recomiendo consultar, por ejemplo, “Searches for Population III pair-instability supernovae: Predictions for ULTIMATE-Subaru and WFIRST,” https://arxiv.org/abs/1903.01613

  4. Hay una cosa que no entiendo… Se dice que es la primera vez que se observa el alineamiento en una simulación, y sin embargo, Tchekhovskoy es también es co-autor de un artículo en Science del año 2013 donde ya se observa la alineación del disco de acreción con el espín del agujero negro:
    https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2013Sci…339…49M/abstract
    Con un bonito video resultado de la simulación:
    https://www.youtube.com/watch?v=JrmkJcwwY9c
    Hay algo que me estoy perdiendo?

    1. Asgard, basta que leas el resumen (abstract) del artículo que citas: “while thin disks might align with the BH spin axis via the Bardeen-Petterson effect, this does not apply to jet systems with thick disks”. El alineamiento magnético observado para H/R > 0.03 no es debido al efecto Bardeen-Petterson (de hecho, dichas simulaciones no tenían la resolución suficiente para observarlo).

  5. Hola.
    20 < z < 30; z ~ 11; z ~ 1100.
    ¿Algún artículo para comprender esto y su relación con el tiempo?
    ¿Y cómo influye la masa del agujero?
    Me lio 😅

  6. Creo que lo que no entendía era la relación entre el tiempo cósmico y corrimiento al rojo y la influencia sobre este último de la masa del agujero negro. Ahora lo tengo más claro aunque me asaltan otros interrogantes.
    Muchas gracias Francis.

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 10 junio, 2019
Categoría(s): ✓ Ciencia • Física • Noticias • Physics • Relatividad • Science
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