Aunque su nombre sugiere oscuridad total, algunos de los objetos más luminosos del universo son, paradójicamente, agujeros negros. El brillo feroz que emiten no proviene de su interior —del que nada puede escapar—, sino del gas y el polvo que giran a su alrededor antes de ser engullidos.
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Ese proceso, turbulento y extremo, ha sido durante décadas un rompecabezas para la astrofísica. Ahora, un equipo del Flatiron Institute y el Institute for Advanced Study (IAS) asegura haber desarrollado las simulaciones más completas hasta la fecha para entender cómo se generan esas luces deslumbrantes.
Los investigadores utilizaron supercomputadores para calcular con precisión cómo se comporta la materia que orbita y cae en estos objetos. A diferencia de estudios anteriores, que dependían de aproximaciones simplificadas, este modelo incorpora “un tratamiento completo de cómo la luz se mueve e interactúa con la materia dentro de la relatividad general de Albert Einstein”.
El avance no es solo técnico. Sus resultados podrían arrojar luz sobre un misterio reciente del telescopio James Webb: los little red dots (LRDs), cientos de objetos tenues observados en el universo temprano. Una de las principales hipótesis sostiene que se trata de agujeros negros en pleno proceso de super-Eddington accretion, un mecanismo de acreción tan intenso que supera el equilibrio entre gravedad y radiación. Las nuevas simulaciones parecen sostener esa idea.
“Esta es la primera vez que hemos podido ver qué ocurre cuando se incluyen con precisión los procesos físicos más importantes en la acreción de agujeros negros”, afirma Lizhong Zhang, autor principal y miembro del Flatiron Institute. “Cualquier suposición simplificadora puede cambiar por completo el resultado”.
La luz en un territorio dominado por la gravedad extrema
La relatividad general ha sido siempre la pieza indispensable para describir a los agujeros negros, cuyo campo gravitatorio deforma el espacio-tiempo. Esa curvatura determina cómo se desplaza la luz emitida por el material que cae hacia ellos. Pero traducir ese fenómeno a ecuaciones resolubles es uno de los mayores retos computacionales de la física moderna.
“Los métodos anteriores trataban la radiación como una especie de fluido, lo que no refleja su comportamiento real”, explica Zhang. El equipo combinó décadas de avances para generar algoritmos capaces de resolver directamente las ecuaciones, sin perder precisión y sin requerir tiempos de cómputo inabordables. “El nuestro es el único algoritmo que existe actualmente que proporciona una solución tratando la radiación tal como es en relatividad general”, añade.
Fotografía de un agujero negro supermasivo de la Vía Láctea Sagitario A* en luz polarizada. Foto:EHT Collaboration EFE
El estudio se concentra en agujeros negros de masa estelar —unas diez veces la masa del Sol—, objetos imposibles de obtener en imágenes como las de los agujeros negros supermasivos. Se observan solo como puntos luminosos, y los científicos deben analizar su espectro para reconstruir la distribución de energía a su alrededor. A diferencia de los supermasivos, que evolucionan en escalas de años o siglos, estos sistemas cambian en cuestión de minutos u horas, lo que permite seguir su comportamiento en tiempo real.
Las simulaciones muestran cómo la materia forma discos turbulentos dominados por radiación, cómo se desprenden vientos potentes e incluso cómo pueden surgir chorros energéticos. Además, los resultados encajan con los espectros de luz obtenidos por telescopios, un acuerdo crucial para interpretar datos que, por la distancia y la escala, son siempre limitados.
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Supercomputadores y una nueva ventana al universo temprano
Para alcanzar ese nivel de detalle, el equipo empleó los supercomputadores Frontier y Aurora, capaces de realizar un quintillón de operaciones por segundo. Christopher White lideró el diseño del algoritmo de transporte de radiación, mientras que Patrick Mullen se encargó de su implementación optimizada para el cómputo exascala. La simulación se construyó sobre un algoritmo desarrollado por Yan-Fei Jiang, hoy ampliamente utilizado en la astrofísica de objetos extremos.
El siguiente paso será probar si el modelo funciona para todos los tipos de agujeros negros y, especialmente, explorar su papel en la comprensión de los little red dots. Las simulaciones sugieren que estos objetos podrían estar emitiendo más energía de la que la gravedad puede equilibrar, una señal de acreción en régimen extremo.
“Ahora la tarea es entender toda la ciencia que está saliendo de esto”, resume James Stone, profesor del IAS y coautor del estudio. Con estas herramientas, los investigadores esperan avanzar hacia una imagen más completa de cómo los agujeros negros.
REDACCIÓN CIENCIA
