La comprensión de cómo los agujeros negros generan espectáculos luminosos a partir de la materia que los rodea dio un salto significativo gracias a nuevas simulaciones avanzadas realizadas por un equipo internacional de astrofísicos computacionales. Utilizando supercomputadoras de última generación, los investigadores lograron modelar con gran precisión el comportamiento de la materia y la luz en las cercanías de estos objetos extremos, aportando claves que ayudan a explicar fenómenos observados tanto en el universo primigenio como en sistemas de rayos X actuales.
El estudio, publicado en The Astrophysical Journal, presenta un enfoque computacional que incorpora de forma rigurosa la relatividad general de Albert Einstein. Esto permite analizar cómo la luz interactúa con la materia bajo la influencia de la intensa gravedad de los agujeros negros sin recurrir a simplificaciones que, hasta ahora, trataban la radiación como un fluido. “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 los agujeros negros”, afirmó Lizhong Zhang, autor principal e investigador del Instituto Flatiron.
El trabajo también respalda que los pequeños puntos rojos detectados por el Telescopio Espacial James Webb corresponden a agujeros negros que atraviesan procesos de acreción super-Eddington, capaces de emitir más luz de la que la gravedad puede retener. Para llegar a esta conclusión, el equipo desarrolló algoritmos capaces de resolver directamente las ecuaciones relativistas generales. Según Zhang, “el nuestro es el único algoritmo existente actualmente que ofrece una solución al tratar la radiación tal como es en la relatividad general”.
El avance es especialmente importante porque logra reproducir comportamientos observados en una amplia variedad de sistemas de agujeros negros, desde fuentes ultraluminosas de rayos X hasta sistemas binarios. “En cierto sentido, hemos logrado ‘observar’ estos sistemas no a través de un telescopio, sino mediante una computadora”, resaltó el investigador.
Estos modelos permiten explicar cómo la materia se desplaza en espiral hacia los agujeros negros de masa estelar —objetos con unas diez veces la masa del Sol— formando discos turbulentos dominados por la radiación, generando vientos potentes y, en ocasiones, chorros de alta energía. A diferencia de los agujeros negros supermasivos, que pueden observarse con imágenes de alta resolución, los de masa estelar aparecen como puntos de luz, por lo que estas simulaciones resultan claves para interpretar sus espectros.
La concordancia entre los datos generados por las simulaciones y las observaciones reales refuerza la validez del modelo y permite interpretar mejor la información disponible sobre estos objetos lejanos. Para obtener estos resultados, el equipo utilizó dos de las supercomputadoras más potentes del mundo —ubicadas en los laboratorios nacionales de Oak Ridge y Argonne— capaces de realizar un trillón de operaciones por segundo.
El desarrollo del algoritmo fue posible gracias al trabajo conjunto de especialistas de varias instituciones. Christopher White lideró el diseño del algoritmo de transporte de radiación; Patrick Mullen se encargó de su implementación en cómputo de exaescala; y Yan-Fei Jiang elaboró el modelo base, que combina un tratamiento angular de la radiación con simulaciones de fluidos alrededor de una esfera giratoria bajo intensos campos magnéticos.
De cara al futuro, el equipo planea investigar si este modelo puede aplicarse también a los agujeros negros supermasivos que influencian la evolución de las galaxias, así como profundizar en la naturaleza de los misteriosos puntos rojos detectados por el James Webb. “Ahora la tarea es comprender toda la ciencia que surge de esto”, concluyó James Stone, profesor del Instituto de Estudios Avanzados.