Un pequeño disco de 6 milímetros creado en laboratorio, que imita a los enormes discos cósmicos de 10.000 millones de kilómetros de longitud, puede revelar los secretos de cómo crecen los agujeros negros y cómo se forman las estrellas. El primer autor de esta investigación, Vicente Valenzuela-Villaseca, explica en la siguiente entrevista exclusiva cómo es posible observar estos procesos sin salir de casa.
Un equipo de científicos ha recreado en laboratorio un disco giratorio de plasma que imita los discos que se encuentran alrededor de los agujeros negros y de las estrellas en formación, con la finalidad de observar, sin salir de casa, cómo crecen los agujeros negros y cómo la materia que se derrumba forma estrellas.
Los astrofísicos tienen todavía muchas preguntas sobre el llamado disco de acreción que se forma a partir del plasma y otra materia que cae en un agujero negro, por lo que una nueva investigación, cuyos resultados se publican en la revista Physical Review Letters, pretende aportar algunas respuestas mediante un disco de acreción en miniatura que se desenvuelve como los grandes entornos de estrellas y agujeros negros.
Esta investigación tiene como primer autor al Dr. Vicente Valenzuela-Villaseca, investigador chileno que hoy ocupa un cargo postdoctoral en el Departamento de Ciencias Astrofísicas de la Universidad de Princeton, aunque lideró los experimentos de esta investigación durante su doctorado en el Imperial College London en Inglaterra. En la siguiente entrevista con T21/Prensa Ibérica, Valenzuela-Villaseca explica para el gran público los entresijos de esta proeza cósmico-tecnológica.
Vicente Valenzuela-Villaseca: "tenemos una maqueta de lo que pasa en el Universo"
¿Cómo es posible replicar en laboratorio un proceso que ocurre cuando se está formando una estrella o en el entorno de los agujeros negros?
En el universo es común que material muy caliente, en un estado de la materia conocido como plasma, orbite un objeto como un agujero negro o una estrella en su proceso de formación. El movimiento orbital de este plasma produce una estructura rotante llamado disco de acreción, que se sustenta a través del equilibrio entre la gravedad y la fuerza centrífuga otorgada por la rotación.
En el laboratorio hemos recreado un plasma rotante sin la necesidad de un objeto central (y, por lo tanto, sin el efecto de la gravedad) utilizando la colisión de 8 chorros de plasma acelerados cuidadosamente en cierta dirección.
¿Qué habéis conseguido con este desarrollo?
El resultado más interesante es que la forma en la que el plasma rota es similar a lo que ocurre en un disco soportado por la gravedad.
Básicamente demora menos tiempo en completar una vuelta cerca del centro, que lejos de él. Por lo tanto, hemos creado una plataforma de laboratorio donde podemos investigar teorías sobre cómo se comportan los discos de acreción en el universo.
Además, en el universo hemos observado que los discos de acreción también lanzan largos chorros de plasma lejos del objeto central.
Una ventaja que tiene nuestro experimento es que el plasma no está contenido por paredes rígidas. Por lo tanto, el plasma rotante lanza un chorro adicional hacia arriba. A través de este chorro también podemos estudiar estas emisiones cósmicas en escalas de laboratorio.
¿Qué tamaño tiene el disco de acreción que habéis creado en relación con uno real? ¿En qué medida puede ser equivalente a uno real?
Nuestro plasma rotante tiene un diámetro de unos pocos milímetros (inicialmente 2 mm, pero crece hasta un máximo de 6 mm). Los discos de acreción en el universo tienen diferentes tamaños, dependiendo del objeto que orbiten.
Los discos protoplanetarios que orbitan estrellas como el Sol tienen diámetros del orden de 10 mil millones de km, pero en torno a agujeros negros supermasivos como el que está al centro de la Vía Láctea los discos pueden ser mucho más grandes.
¿Puede vuestro disco de acreción ser absorbido por el equivalente a un agujero negro creado también en laboratorio?
No. En nuestro experimento no hay objeto central (equivalente a un agujero negro o una estrella).
¿En qué medida estos experimentos pueden reflejar la realidad de lo que pasa en el universo?
A través de estos experimentos queremos entender física fundamental de los entornos de los agujeros negros y de las estrellas jóvenes.
Observaciones del disco en torno al agujero negro M87 utilizando el Event Horizon Telescope indican que el disco contiene campos magnéticos. Estos campos regulan qué tan rápido el agujero negro puede atrapar materia y el proceso de aceleración del chorro que mencioné antes.
Dado que nuestro experimento puede reproducir física relevante en sistemas gravitatorios, un siguiente paso es añadir campos magnéticos a nuestro plasma, estudiar qué efectos tiene en la rotación y comparar los resultados con la teoría en astrofísica.
¿Qué aportará vuestra investigación al conocimiento de los agujeros negros y a los procesos de formación de las estrellas?
En principio vamos a poder estudiar qué tan rápido el plasma pierde rotación gracias al campo magnético. Esto es una pregunta grande en astrofísica, pues determina qué tan rápido evolucionan los agujeros negros y las estrellas.
¿Tendrá consecuencias vuestra investigación, cuando salga de la prueba de concepto, para la investigación astronómica? ¿Qué podemos esperar al respecto?
¡Esperamos que sí! Estos experimentos son sólo una maqueta, un modelo, de lo que pasa en el Universo. Por ahora queremos seguir realizándolos, conseguir resultados y comparar con lo que estudian nuestros colegas.
Referencia
Characterization of Quasi-Keplerian, Differentially Rotating, Free-Boundary Laboratory Plasmas. V. Valenzuela-Villaseca et al. Physical Review Letters, Vol. 130, Iss. 19 — 12 May 2023. DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.195101
