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Las estrellas madre de los agujeros negros que colapsan han sido identificadas como el origen de los misteriosos campos magnéticos en estas estructuras cósmicas extremas.
Los agujeros negros son uno de los objetos estelares más enigmáticos. Aunque son más conocidos por engullir su entorno en un pozo de gravedad del que nada puede escapar, también pueden disparar potentes chorros de partículas cargadas, lo que da lugar a explosiones explosivas de rayos gamma que pueden liberar más energía en cuestión de segundos de la que nuestro Sol emitirá en toda su vida.
Para que se produzca un acontecimiento tan espectacular, un agujero negro debe tener un potente campo magnético. Sin embargo, de dónde proviene este magnetismo ha sido un misterio durante mucho tiempo. Investigadores del Instituto Flatiron publican una explicación basada en cálculos de la formación de agujeros negros en The Astrophysical Journal Letters.
Los agujeros negros pueden formarse después de que una estrella explota como supernova, dejando atrás un núcleo remanente denso llamado estrella protoneutrón.
“Las estrellas protoneutrones son las madres de los agujeros negros, ya que cuando colapsan, nace un agujero negro. Lo que estamos viendo es que a medida que se forma este agujero negro, el disco que rodea a la estrella protoneutrón esencialmente fijará sus líneas magnéticas al agujero negro”, dice en un comunicado Ore Gottlieb, el primer autor del estudio e investigador del Centro de Astrofísica Computacional (CCA) del Instituto Flatiron en la ciudad de Nueva York.
“Es muy emocionante comprender finalmente esta propiedad fundamental de los agujeros negros y cómo alimentan los estallidos de rayos gamma, las explosiones más luminosas del universo”.
El equipo inicialmente tenía como objetivo modelar el viaje de una estrella desde su nacimiento hasta el colapso y la formación del agujero negro. Con sus simulaciones, el equipo planeó estudiar los flujos de salida del agujero negro, como los chorros que generan estallidos de rayos gamma. Sin embargo, el equipo de Gottlieb se topó con un problema con los modelos.
“No estábamos seguros de cómo modelar el comportamiento de estos campos magnéticos durante el colapso de la estrella de neutrones en el agujero negro”, dice Gottlieb. “Así que esta fue una cuestión en la que comencé a pensar por primera vez”.
Había algunas teorías en torno a los agujeros negros y su magnetismo, pero ninguna parecía tener sentido a la hora de tener en cuenta la potencia de los chorros y los estallidos de rayos gamma de un agujero negro.
“Lo que se pensaba que era el caso es que los campos magnéticos de las estrellas que colapsan colapsan en el agujero negro”, dice Gottlieb. “Durante este colapso, estas líneas de campo magnético se hacen más fuertes a medida que se comprimen, por lo que la densidad de los campos magnéticos aumenta”.
El problema con esa explicación era que el fuerte magnetismo en la estrella hace que la estrella pierda su rotación. Y sin una rotación rápida, un agujero negro recién nacido no puede formar un disco de acreción (el flujo de gas, plasma, polvo y partículas alrededor de un agujero negro) y no podría producir los chorros y los estallidos de rayos gamma que hemos observado.
“Parece ser mutuamente excluyente”, dice Gottlieb. “Se necesitan dos cosas para que se formen chorros: un campo magnético fuerte y un disco de acreción. Pero un campo magnético adquirido por tal compresión no formará un disco de acreción, y si se reduce el magnetismo hasta el punto en que se puede formar el disco, entonces no es lo suficientemente fuerte como para producir los chorros".
Esto significaba que estaba sucediendo algo más, y los científicos intentaron averiguar qué era yendo directamente a la fuente: el progenitor de un agujero negro.
Los científicos se dieron cuenta de que tal vez las simulaciones anteriores de estrellas de neutrones en colapso no estaban dando la imagen completa.
“En simulaciones anteriores sólo se han considerado estrellas de neutrones aisladas y agujeros negros aislados, donde todo el magnetismo se pierde durante el colapso. Sin embargo, hemos descubierto que estas estrellas de neutrones tienen sus propios discos de acreción, al igual que los agujeros negros“, afirma Gottlieb.
“Por tanto, la idea es que tal vez un disco de acreción pueda salvar el campo magnético de la estrella de neutrones. De esta forma, se formará un agujero negro con las mismas líneas de campo magnético que atravesaron la estrella de neutrones”.
Los cálculos del equipo mostraron que, cuando una estrella de neutrones colapsa, antes de que todo su campo magnético sea absorbido por el agujero negro recién formado, el disco de la estrella de neutrones es heredado por el agujero negro y sus líneas de campo magnético quedan ancladas.
“Realizamos cálculos para los valores típicos que esperamos ver en estos sistemas y, en la mayoría de los casos, la escala de tiempo para la formación del disco del agujero negro es más corta que la del agujero negro que pierde su magnetismo”, afirma Gottlieb. “Por tanto, el disco permite que el agujero negro herede un campo magnético de su madre, la estrella de neutrones”.