Entre la “tormenta” y la “calma” en el disco de acreción del agujero negro del microcuásar GRS 1915+105

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Conocer los detalles de la acreción (el flujo) de materia hacia un agujero negro es clave para poder estar seguros de que hemos observado agujeros negros y no otros objetos compactos (como estrellas oscuras o casi-agujeros negros). En un agujero negro con un disco de acreción se observan dos chorros de materia diferentes. Por un lado un chorro lento de materia que es absorbido de la estrella para formar el propio disco de acreción y otro chorro rápido de materia transversal al propio disco de acreción. Muchos investigadores pensaban que la dinámica de ambos chorros estaba desacoplada. Neilsen y Lee estudiando el microcuásar GRS 1915 + 105 (un agujero negro de 14 masas solares que acreta materia de una estrella cercana) han descubierto que están fuertemente acoplados. La acreción de materia oscila entre dos estados, uno de alta luminosidad, baja tasa de acreción y un jet (chorro) de alta velocidad y otro de baja luminosidad, alta tasa de acreción y un jet mucho más lento. El chorro de materia transversal al disco de acreción compite con el chorro de materia que alimenta dicho disco, generando un comportamiento oscilatorio que nos muestra que la acreción es un fenómeno mucho más complejo de lo se pensaba. Nos lo cuenta Daniel Proga, “Astrophysics: Quiet is the new loud,” News and Views, Nature 458: 414-415, 26 March 2009 , haciéndose eco del artículo de Joseph Neilsen, Julia C. Lee, “Accretion disk winds as the jet suppression mechanism in the microquasar GRS 1915+105,” Nature 458: 481-484, 26 March 2009 .

GRS 1915+105 es un sistema binario formado por un agujero negro de 14 masas solares que acreta materia de una estrella de 0.8 masas solares que orbita al agujero negro cada 33.5 días. Es el primer microcuásar conocido de nuestra galaxia que presenta estados en los que aparecen chorros de materia transversales al disco de acreción superlumínicos. La curva de luz de este cuásar presenta al menos 14 clases distintas que representan diferentes estados del sistema binario. Neilsen y Lee han utilizado datos del Observador de Rayos X Chandra entre el 14 de abril de 2000 y el 14 de agosto de 2007. Este microcuásar presenta estados “tranquilos” (figura de la derecha), que presentan viento inonizado emitido por el propio disco de acreción sin un gran chorro que los acompañe y estados “fogosos” (figura de la izquierda), que presentan poco viento y un gran chorro transversal. Ambos fenómenos, según este estudio están fuertemente acoplados.

Se pensaba que todos los sistemas de agujeros negros que acretan materia eran similares, independientemente de su tamaño. En un extremo, los núcleos activos de galaxias, donde agujeros negros supermasivos acretan materia del núcleo de toda una galaxia formando los cuásares. En el otro extremo, los pequeños agujeros negros en estrellas binarias que se “tragan” la materia de una estrella binaria. Tanto los microcuásares como los grandesa cuásares se observan en diferentes estados en función del espector de rayos X que emiten. Los dos más importantes son un estado de alta energía, con rayos X “duros” y alta luminosidad y un estado de baja energía, con rayos X “blandos” y baja luminosidad. La mayoría de los cuásares se observan en uno de estos dos estados. Se cree que porque la escala de tiempo en la cambian entre estos estados es muy lento. Sin embargo, en los microcuásares esta escala de tiempo es mucho más corta (hasta 8 órdenes de magnitud más corta). De hecho, los microcuásares pasan por muchos estados “intermedios,” más de 14 estados en GRS 1915 + 105 .

La gran cuestión es entender la dinámica de la formación del disco de acreción y cómo se produce el gran chorro de materia transversal al agujero negro. Parece que la energía rotacional del disco se disipa y se convierte en calor que finalmente es radiado en forma del chorro. Pero los detalles no se conocen con precisión. Los chorros rápidos podrían ser producidos por la propia rotación del disco de acreción o por la rotación propia del agujero negro. En ambos casos este proceso implica grandes campos magnéticos. La sorpresa del trabajo de Neilsen y Lee es que la dinámica de GRS 1915 + 105 no requiere grandes campos magnéticos para ser comprendida. Basta con los “vientos” de materia del propio disco de acreción que tienen un papel mucho más importante de lo que se pensaba. ¿Son estos vientos los responsables de los grandes estados del microcuásar? No se sabe. ¿Son los responsables de que el gran chorro transversal esté muy colimado? Los autores de este artículo, contradeciendo ideas anteriores, creen que no. Han observado que tanto los vientos como el gran chorro compiten por el mismo material. Por lo que estos vientos no coliman el chorro sino más bien lo suprimen. Por ahora, la dinámica exacta de esta competencia es completamente desconocida. ¿Son los grandes campos magnéticos observados en muchos cuásares los causantes de estos vientes? Los autores creen que no, pero no están seguros.

En física la observación y el experimento son claves para que comprendamos la realidad que nos rodea. Las observaciones de Neilsen y Lee son desconcertantes para la mayoría de los expertos en discos de acreción. Se requerirán simulaciones numéricas en grandes ordenadores para poder entender la dinámica de los discos de acreción en detalle. Para validar estas simulaciones, las observaciones de Lee y Neilsen serán claves. La dinámica de los chorros más intensos de materia depende mucho de los vientos suaves en el propio disco de acreción.

PS: Noticia en Menéame Un errático agujero negro se regula a sí mismo (ING) y cómo no, la traducción al español del genial Kanijo.

Los casi-agujeros negros parecen agujeros negros pero que no lo son

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Los astrónomos ven agujeros negros por doquier. Objetos pequeños, oscuros y muy pesados. Demasiado pesados para ser otra cosa que no sea un agujero negro. Carlos Barceló, del Instituto Astrofísico de Andalucía, un neozelandés y dos italianos nos proponen otra posibilidad. ¿Podrían existir regiones del espacio que no sean agujeros negros pero que parezcan agujeros negros para un observador lejano? Regiones del espacio sin horizonte de sucesos que para un observador externo le parezca que lo tiene. Su respuesta es sí, pueden existir. Además, sin necesidad de recurrir a teorías esotéricas. Por ahora es sólo un resultado teórico. Pero quien sabe. El artículo técnico es Matt Visser, Carlos Barceló, Stefano Liberati, Sebastiano Sonego, “Small, dark, and heavy: But is it a black hole?,” ArXiv preprint, 9 Feb 2009 (to be published in Proceedings of Science).

Astronomers have certainly observed things that are small, dark, and heavy. But are these objects really black holes in the sense of general relativity? The consensus opinion is simply “yes”, and there is very little “wriggle room”. We discuss an alternative: dark stars and quasi-black holes.

La figura muestra el diagrama de Carter-Penrose estándar para un agujero negro (izquierda) y el correspondiente a un casi-agujero negro (derecha). Se puede observar claramente (derecha) que no hay horizonte de sucesos reduciéndose la singularidad a un sólo punto en el infinito (futuro). La línea continua representa la superficie del objeto que colapsa durante el colapso. La línea punteada representa r = 2M(t), donde M(t) es la masa instantánea del objeto medida desde el infinito futuro (I+). Los detalles matemáticos del artículo no son complicados (para alguien que entienda estas figuras). 

¿Cuándo el colapso de una estrella conduce a un casi-agujero negro? Para ello se requiere que la materia de la superficie de la estrella que colapsa no caiga en caída libre (hipótesis habitual en el colapso) sino que se acelere (y mucho) durante el colapso, especialmente en sus etapas finales. En dicho caso, el resultado final no es un agujero negro, sino una región del espacio que aproxima la geometría del espacio-tiempo alrededor de un agujero negro, incluyendo efectos cuánticos como la radiación de Hawking. De existir, estos casi-agujeros negros serán muy difíciles de distinguir de una agujero negro verdadero. Sin entrar en más detalles os dejo la conclusión final, en inglés, del artículo.

In summary, what our calculation suggests is that it might be possible to have a black hole without having a black hole – a configuration that is a black hole for (almost) all practical purposes, but might be missing the one key ingredient of having a horizon. Deep issues of principle remain, and it will be very interesting to see how the whole area of black hole mimics develops over the next few years.

Jornada sobre Supercomputación en España – E.T.S.I. Aeronáuticos de Madrid

dibujo20090326jornadassupercomputacionetsiaeronauticosmadridMe gustaría poder asistir, pero no podré. Los interesados en la supercomputación disfrutaréis seguro con la

   2ª Jornada de Supercomputación

ETSI Aeronáuticos, Aula Magna, Universidad Politécnica de Madrid. 1 de Abril de 2009 .

9:40-10:00 Javier Jiménez. Apertura y presentación.

10:00-11:00 Víctor Muñoz

11:30-12:30 Luis Landesa “Supercomputing in Electromagnetics”

12:30-13:30 Jose Mª Cela

15:00-16:00 Sergio Hoyas “Channel 2000: simulando turbulencia con 2000 procesadores”

16:00-17:00 Gregorio Chillón “Lustre: A High Performance Open Source File System”

Las jornadas serán presentadas por Javier Jiménez (Sendín), uno de los grandes especialistas mundiales en turbulencia, aunque sea español, que pasa la mitad del tiempo en EEUU (Universidad de Stanford) y la otra mitad en España. 

Destacar, destacaré la charla del joven Dr. Sergio Hoyas, que prometer promete [CV]. Trabajó con Javier (Jiménez) y ahora se encuentra trabajando en la Politécnica de Valencia con Francisco Payri, especialista mundial en motores diesel, aunque sea español. El trabajo de Sergio, que ya ha pasado por 5 universidades, brilla, reluce. Sus simulaciones de turbulencia en el Mare Nostrum, que inauguraron científicamente dicha instalación, son espectaculares. “Realizó la que, hasta la fecha de hoy, es la mayor simulación de turbulencia de pared: 2100 procesadores que de forma continua trabajaron durante 6 meses, produciendo 25 TB (terabytes) de datos que todavía siguen siendo analizados.” Su artículo más citado es Hoyas S, Jiménez J, “Scaling of the velocity fluctuations in turbulent channels up to Re-tau=2003,” Physics of Fluids, 18: Art. No. 011702, JAN 2006 [versión gratis].

PS (GRACIAS, PABLO): Sergio Hoyas “atesora” un blog en el que nos cuenta sus “Desventuras de un científico en España.” Muy interesantes sus cuentos: “Sergebus, el mago computacional, intentó luchar contra Anecus, el monstruo que sustituyó a Aznarez, pero este le derrotó. Anecus fue más fuerte. Su absoluta falta de lógica y criterio desconcertó a Sergebus. El llevaba un hechizo muy fuerte, poderoso, costoso. Anecus, sin embargo, quería 20 hechizos, aunque fueran para conjurar palomitas de maiz. No valieron sus 12 hechizos, sus 30 conclaves de magos, el haber estado en cuatro universidades. Nada. Sergebus no se rindió. Está retirado, lamiendose las heridas, preparándose para el nuevo combate.” 

PS2 (6 abril de 2009): Parecer ser que Sergio Hoyas ha dado de baja su blog. Una pena. Parece que “El demonio del remordimiento” (accesible en la caché de Google) es la última entrada, fechada el 2 de abril. Sergebus vence a Remordimiento que implosiona, cual agujero negro que lo devora todo, devorando el propio blog.

La siguiente imagen parece una foto pero es el resultado de las simulaciones de Sergio. En una palabra, espectacular. Supercomputación a primer nivel mundial, hoy en día posible gracias a la Red Española de Supercomputación (hay un nodo “pequeñito” en Málaga).

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Los vídeos de la Primera Jornada, en 2008, están disponibles en la red. “Os recomiendo el de Javier Jiménez sobre turbulencia, el de Mateo Valero (Director del BSC) sobre tendencias en diseño de procesadores o el de Fernando Moreno (Instituto de Astrofísica de Canarias) acerca de las eyecciones solares de plasma.” Los vídeos son un poco largos (unos 200 Mb), pero merecen la pena.

Gracias, Fernando.