Los agujeros negros descargan la energía en sus poderosos chorros de plasma mucho más lejos de lo que se pensaba

En la representación de este artista, cortesía de la NASA, los restos de una estrella desgarrada por un agujero negro forman un disco alrededor del centro del agujero negro, mientras que los chorros se expulsan desde ambos lados. Los chorros pueden viajar casi a la velocidad de la luz y descargan su alta energía en el camino. Una nueva investigación de UMBC en Nature Communications muestra que la disipación de energía ocurre mucho más lejos del centro del agujero negro de lo que se pensaba. Los métodos para el estudio, las técnicas estadísticas estándar y la mínima dependencia de las suposiciones de cualquier modelo de jet en particular, hacen que los hallazgos sean difíciles de discutir. Los resultados ofrecen pistas sobre la formación y estructura del chorro. Crédito: NASA

Un nuevo estudio determina que los agujeros negros descargan la energía en su plasma chorros mucho más lejos del calabozoCentro de lo que se pensaba anteriormente, resolviendo un debate de larga data y ofreciendo pistas sobre la formación y estructura del chorro.

Los agujeros negros supermasivos en el centro de las galaxias son los objetos más masivos del universo. Van desde aproximadamente 1 millón hasta más de 10 mil millones de veces la masa del Sol. Algunos de estos agujeros negros también emiten gigantescos chorros de plasma sobrecalentados a casi la velocidad de la luz. La forma principal en que los chorros descargan esta poderosa energía de movimiento es convirtiéndola en rayos gamma de energía extremadamente alta. Sin embargo, el Ph.D. en física de la UMBC. El candidato Adam Leah Harvey dice: “Cómo se crea exactamente esta radiación es una pregunta abierta”.

El jet tiene que descargar su energía en alguna parte y el trabajo previo no coincide en dónde. Los candidatos principales son dos regiones hechas de gas y luz que rodean los agujeros negros, llamadas región de línea ancha y toro molecular.

El chorro de un agujero negro tiene el potencial de convertir la luz visible e infrarroja en cualquier región en rayos gamma de alta energía al ceder parte de su energía. Harvey es nuevo NASALa investigación financiada arroja luz sobre esta controversia al ofrecer pruebas sólidas de que los chorros liberan energía principalmente en el toro molecular y no en la región de la línea ancha. El estudio fue publicado en octubre en Comunicaciones de la naturaleza y es coautor de los físicos de la UMBC Markos Georganopoulos y Eileen Meyer.

Lejos

La región de la línea ancha está más cerca del centro de un agujero negro, a una distancia de aproximadamente 0,3 años luz. El toro molecular está mucho más lejos, más de 3 años luz. Si bien todas estas distancias parecen enormes para un no astrónomo, el nuevo trabajo “nos dice que estamos obteniendo una disipación de energía muy lejos del agujero negro en las escalas relevantes”, explica Harvey.

“Las implicaciones son extremadamente importantes para nuestra comprensión de los chorros lanzados por agujeros negros”, dice Harvey. La región que absorbe principalmente la energía del chorro ofrece pistas sobre cómo se forman inicialmente los chorros, toman velocidad y adquieren forma de columna. Por ejemplo, “Indica que el chorro no se acelera lo suficiente a escalas más pequeñas como para comenzar a disipar energía”, dice Harvey.

Otros investigadores han propuesto ideas contradictorias sobre la estructura y el comportamiento de los chorros. Sin embargo, debido a los métodos confiables que utilizó Harvey en su nuevo trabajo, esperan que los resultados sean ampliamente aceptados en la comunidad científica. “Los resultados básicamente ayudan a limitar esas posibilidades, esos diferentes modelos, de formación de chorros”.

Sobre una base sólida

Para llegar a sus conclusiones, Harvey aplicó una técnica estadística estándar llamada “bootstrapping” a los datos de 62 observaciones de chorros de agujeros negros. “Mucho de lo que vino antes de este documento ha sido muy dependiente del modelo. Otros artículos han hecho muchas suposiciones muy específicas, mientras que nuestro método es extremadamente general ”, explica Harvey. “No hay mucho que socave el análisis. Son métodos bien entendidos y solo usan datos de observación. Así que el resultado debería ser correcto “.

Una cantidad llamada factor semilla fue fundamental para el análisis. El factor semilla indica de dónde provienen las ondas de luz que el chorro convierte en rayos gamma. Si la conversión ocurre en el toro molecular, se espera un factor semilla. Si ocurre en la región de la línea ancha, el factor semilla será diferente.

Georganopolous, profesor asociado de física y uno de los asesores de Harvey, desarrolló originalmente el concepto del factor semilla, pero “para aplicar la idea del factor semilla tuvo que esperar a alguien con mucha perseverancia, y ese alguien era Adam Leah”, dice Georganopoulos.

Harvey calculó los factores semilla para las 62 observaciones. Descubrieron que los factores semilla caían en una distribución normal alineada casi perfectamente alrededor del valor esperado para el toro molecular. Ese resultado sugiere fuertemente que la energía del chorro se está descargando en ondas de luz en el toro molecular y no en la región de la línea ancha.

Tangentes y búsquedas

Harvey comparte que el apoyo de sus mentores, Georganopoulos y Meyer, profesor asistente de física, fue fundamental para el éxito del proyecto. “Creo que sin que me dejaran ir por la tangente y buscar cómo hacer las cosas, esto nunca habría llegado al nivel en el que está”, dice Harvey. “Debido a que me permitieron profundizar en él, pude sacar mucho más provecho de este proyecto”.

Harvey se identifica como un “astrónomo observacional”, pero agrega: “Realmente soy más un científico de datos y un estadístico que un físico”. Y las estadísticas han sido la parte más emocionante de este trabajo, dicen.

“Creo que es realmente genial que haya podido descubrir métodos para crear un estudio tan sólido de un sistema tan extraño que está tan alejado de mi propia realidad personal”. Dice Harvey. “Va a ser divertido ver lo que la gente hace con él”.

Referencia: “Potentes chorros extragalácticos disipan su energía cinética lejos del agujero negro central” por Adam Leah W. Harvey, Markos Georganopoulos y Eileen T. Meyer, 30 de octubre de 2020, Comunicaciones de la naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41467-020-19296-6

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