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Uno de los grandes misterios del universo son los agujeros negros. Básicamente, porque desafían las leyes físicas conocidas hasta la fecha; en su interior la gravedad es infinita. Se desconoce cómo algunos supermasivos crecieron tan rápido en el universo temprano, desafiando la formación estelar convencional. Se está investigando si podrían contener materia oscura o si su formación está ligada a ello, como sugieren algunas teorías. Algunos expertos creen que resolver sus enigmas sería la clave para una teoría unificada de la física que combine la Relatividad General (gravedad) y la mecánica cuántica (partículas).
De las cosas que sabemos sobre agujeros negros, es que son regiones del espacio con una gravedad tan intensa que nada, ni siquiera la luz, puede escapar de ellas. Su fuerza gravitatoria es tan fuerte que curva el espacio-tiempo a su alrededor. Que se crean, generalmente, por el colapso de grandes estrellas al final de su vida, con masas de tres a docenas de veces la del Sol (estelares) o en los centros galácticos, como Sagitario A* en la Vía Láctea, y pueden tener millones o miles de millones de masas solares (supermasivos).
Los agujeros negros, además, son en sí mismos invisibles porque su gravedad es tan fuerte que ni la luz puede escapar, como hemos comentado anteriormente. No obstante, son extremadamente brillantes cuando están activamente comiendo materia, lo que lleva a la formación de discos de acreción, convirtiéndose en algunos de los objetos más luminosos del universo conocido, como los cuásares (núcleo muy brillante de una galaxia muy lejana, alimentado por un agujero supermasivo). Investigadores han conseguido desarrollar el modelo más completo de acreción de agujeros negros luminosos hasta la fecha.
La simulación de un agujero negro más precisa de la historia ya está aquí
Caltech/R. Hurt (IPAC)
Un agujero negro supermasivo desgarrando una estrella
La acreción de agujeros negros es el proceso donde gas, polvo y materia estelas son atraídos por la gravedad de un agujero negro, formando un disco giratorio que es extremadamente caliente y brillante alrededor de él. Este disco recibe el nombre de disco de acreción. Antes de que dicho gas, polvo y materia caigan dentro del horizonte de eventos (punto de no retorno del agujero negro), se liberan enormes cantidades de energía en forma de luz y rayos X, lo que permite su observación.
El disco de acreción es sumamente importante para su investigación por dos motivos. Sin él, los agujeros negros serían invisibles, y su observación proporciona datos cruciales para probar las teorías de la relatividad general de Einstein. Un equipo de astrofísicos computacionales ha desarrollado el modelo más completo de acreción de agujeros negros luminosos de la historia. Para ello, empleó dos de los superordenadores más potentes del mundo.
Por un lado, el Frontier, ubicado en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL), en Estados Unidos. Construido por HPE y AMD, fue el más rápido del mundo en 2022 gracias a su arquitectura híbrida con miles de CPU y GPU. Por otro lado, el Aurora, en el Laboratorio Nacional Argonne (ANL), también en el país norteamericano. Fue construido por HPE e Intel, e incorpora CPU y GPU de esta última para acelerar la investigación científica de vanguardia.
El equipo, dirigido por investigadores del Instituto de Estudios Avanzados y del Instituto Flatiron, Centro de Astrofísica Computacional, afirma que su modelo proporciona la simulación más precisa de la acreción de agujeros negros hasta la fecha: “esta 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”, explicó el autor principal del estudio, Lizhong Zhang, en un comunicado de prensa.
Superordenador Frontier, construido por HPE y AMD. Uno de los superordenadores que ha ayudado en el desarrollo del nuevo modelo.
Debido a los tamaños descomunales que suelen tener los agujeros negros (el mayor jamás observado, Phoenix A, tiene una masa estimada de al menos 100 mil millones de veces la del Sol), los modelos anteriores han empleado atajos para simplificar el proceso de los flujos de radiación, los cuales no reflejan su comportamiento real. El equipo descubridor del nuevo modelo utilizó los conocimientos adquiridos durante décadas para desarrollar nuevos algoritmos.
A diferencia de los agujeros negros supermasivos, los de masa estelar cambian en escalas de tiempo humanas de horas e incluso minutos, lo que los hace ideales para trazar la evolución de estos gigantes cósmicos. Los científicos descubrieron que, a medida que gira en espiral hacia agujeros negros de masa estelar, la materia forma discos turbulentos con alta radiación, lo que genera vientos potentes y también produce chorros potentes.
James Stone, profesor de la Facultad de Ciencias Naturales del Instituto de Estudios Avanzados y coautor del artículo, explica que “lo que hace único a este proyecto es, por un lado, el tiempo y el esfuerzo invertidos en desarrollar las matemáticas aplicadas y el software capaz de modelar estos sistemas complejos, y, por otro, contar con una gran asignación en los superordenadores más grandes del mundo para realizar estos cálculos. Ahora la tarea es comprender toda la ciencia que se está generando”. El artículo completo se puede leer en The Astrophysical Journal.