Cómo los agujeros negros en rotación «encienden» los chorros más potentes del universo

Una nueva simulación de alta precisión muestra cómo los agujeros negros giratorios pueden extraer su propia energía y lanzarla al cosmos en forma de chorros de plasma casi luminosos. El hallazgo confirma un mecanismo teórico que convierte la rotación del abismo en una fuente de poder cósmico.

Por Enrique Coperías

En el plano ecuatorial del agujero negro se forma una cadena de plasmoides a lo largo de la hoja de corriente, donde la densidad de partículas (izquierda) es mayor. En esa región ocurre la reconexión magnética, que acelera las partículas hasta energías muy altas (derecha). Algunas alcanzan velocidades relativistas a lo largo del eje de rotación y acaban formando el chorro impulsado por el mecanismo de Blandford–Znajek. En gris: líneas del campo magnético. Cortesía: Meringolo, Camilloni, Rezzolla (2025)

Los agujeros negros, esos abismos de gravedad infinita que devoran todo lo que se les acerca, también pueden ser —paradójicamente— los motores más poderosos del cosmos.

En efecto, un nuevo estudio publicado en The Astrophysical Journal Letters ha conseguido, por primera vez, reproducir desde los fundamentos de la física de partículas cómo un agujero negro en rotación, también conocido como agujero negro de Kerr, puede extraer parte de su propia energía y lanzarla al espacio en forma de chorros relativistas. Estos son corrientes de plasma que viajan casi a la velocidad de la luz y se extienden miles de años luz por el espacio.

El trabajo, firmado por Claudio Meringolo, Filippo Camilloni y Luciano Rezzolla, combina relatividad general, física del plasma y supercomputación extrema para comprobar de manera directa el célebre mecanismo de Blandford–Znajek, la teoría que desde 1977 explica cómo un agujero negro puede comportarse como un dinamo cósmico.

Según esta idea, la rotación del agujero negro arrastra el espacio-tiempo circundante —una región llamada ergosfera—, y si allí existe un campo magnético suficientemente intenso, esa energía rotacional puede transformarse en radiación electromagnética y acelerar partículas a energías colosales.

Simular el corazón de un agujero negro: el código FPIC

Hasta ahora, los astrofísicos habían comprobado la plausibilidad de este proceso usando simulaciones de fluidos magnetizados, la llamada magnetohidrodinámica relativista. Pero Meringolo y su equipo han ido un paso más allá: emplearon un código GRPIC (general relativistic particle-in-cell), que modela individualmente millones de partículas cargadas moviéndose bajo el efecto de la gravedad relativista de un agujero negro de Kerr.

Con este método, los investigadores no suponen que el plasma se comporte como un fluido, sino que calculan desde cero las interacciones entre campos eléctricos, magnéticos y partículas, respetando las ecuaciones de Einstein y Maxwell en toda su complejidad. Las simulaciones, realizadas en superordenadores de Frankfurt y Stuttgart, reprodujeron doce escenarios distintos, desde agujeros negros con rotaciones lentas hasta casi extremas (a* = 0,999, donde a* mide la fracción de rotación máxima posible).

«Simular este tipo de procesos es crucial para comprender la compleja dinámica de los plasmas relativistas en los espacios-tiempo curvados cerca de objetos compactos, que están gobernados por la interacción entre campos gravitatorios y magnéticos extremos», explica Claudio Meringolo, desarrollador principal del código FPIC, en un comunicado de la Universidad Goethe de Fráncfort del Meno (Alemania).

Un laboratorio de física extrema: reconexión magnética y plasmoides

En el modelo clásico de Blandford y Znajek, se asume un campo magnético con simetría casi perfecta —un monopolo escindido— que atraviesa el agujero negro. En este entorno, el equipo observó cómo se forma un plano de corriente ecuatorial, una región donde las líneas del campo magnético cambian de dirección y liberan energía mediante reconexión magnética.

De ese proceso surgen plasmoides: burbujas de plasma caliente y magnetizado que se desplazan a velocidades relativistas, algunas hacia el agujero negro y otras hacia el exterior, impulsadas a casi el 70% de la velocidad de la luz. Las simulaciones muestran que los plasmoides pueden colisionar, fusionarse o incluso dividirse dentro de la ergosfera, un fenómeno que recuerda al llamado proceso de Penrose, otra vía teórica de extracción de energía rotacional propuesta en 1969.

Por primera vez, el estudio visualiza cómo ambos mecanismos —el electromagnético de Blandford–Znajek y el de partículas de Penrose— pueden coexistir dentro del entorno de un agujero negro realista. «Nuestros resultados abren la fascinante posibilidad de que el mecanismo de Blandford–Znajek no sea el único proceso astrofísico capaz de extraer energía rotacional de un agujero negro, sino que la reconexión magnética también contribuye», afirma Filippo Camilloni, coautor del trabajo.

Medición de la potencia del chorro relativista

Uno de los resultados más notables del trabajo pblicado en The Astrophysical Journal Letter es la medida directa de la potencia del chorro electromagnético, es decir, la cantidad de energía que el agujero negro transfiere al campo magnético circundante. Los autores calcularon el flujo de Poynting —la corriente de energía electromagnética— muy cerca del horizonte de sucesos y comprobaron que sigue al pie de la letra las predicciones teóricas: la luminosidad del chorro crece de forma cuadrática con la velocidad angular del horizonte, hasta alcanzar un máximo en los agujeros negros de rotación casi extrema.

El valor obtenido concuerda sorprendentemente bien con los cálculos analíticos más precisos y con los resultados de simulaciones magnetohidrodinámicas previas, una coincidencia que refuerza la solidez del mecanismo de Blandford–Znajek. En otras palabras, los autores han confirmado con cálculos de primer principio que los agujeros negros en rotación pueden actuar como generadores electromagnéticos naturales, extrayendo su energía de rotación para alimentar los chorros que vemos en los núcleos activos de galaxias o en las explosiones de rayos gamma.

«Con nuestro trabajo podemos demostrar cómo la energía se extrae de forma eficiente de los agujeros negros en rotación y se canaliza hacia los chorros —señala Luciano Rezzolla, líder del equipo. Y añade—: Esto nos permite ayudar a explicar las luminosidades extremas de los núcleos galácticos activos, así como la aceleración de partículas hasta velocidades cercanas a la de la luz».

La danza del plasma y la gravedad

Las simulaciones también han permitido estudiar con precisión cómo se comporta la reconexión magnética, el proceso mediante el cual las líneas del campo se rompen y reconectan liberando energía.

Rezzolla y sus colegas midieron la tasa de reconexión en función de la distancia al agujero negro y del parámetro de giro, y hallaron que el ritmo aumenta dentro de la ergosfera y puede alcanzar valores del 15% para rotaciones extremas. Esto apunta a una actividad energética muy eficiente cerca del horizonte.

A distancias mayores, la reconexión se atenúa, y el flujo de plasmoides se estabiliza en una corriente continua de plasma relativista que acompaña al chorro electromagnético.

Un equipo internacional de investigadores descubrió en 2023 que la galaxia Tetera es un caso ideal para estudiar cómo los chorros de radio influyen en la formación estelar. Este cuásar silencioso en radio, situado a 1.300 millones de años luz de la Tierra, debe su apodo a las burbujas en expansión visibles en imágenes ópticas y de radio. Cortesía: HST / ALMA / VLA / M. Meenakshi / D. Mukherjee / A. Audibert

Energía negativa y el proceso de Penrose

Otro hallazgo de especial interés es la detección de partículas con energía negativa en el infinito, es decir, con trayectorias que restan energía al sistema al ser absorbidas por el agujero negro. Estas partículas, generadas por la dinámica de los plasmoides dentro de la ergosfera, constituyen la firma cinemática del proceso de Penrose. Se trata del mecanismo propuesto hace más de medio siglo para explicar cómo la materia puede extraer energía rotacional de un agujero negro.

En las simulaciones de Meringolo y sus colegas, las partículas de carga positiva (positrones) son las más proclives a adquirir energía negativa, sobre todo cuando el agujero negro rota a gran velocidad (a* > 0,7).

En los casos más extremos, también los electrones muestran este comportamiento. Según los cálculos preliminares del equipo, la energía extraída mediante este canal de partículas podría representar alrededor del 10% de la que se obtiene a través del mecanismo electromagnético principal.

Del agujero negro M87* a los cuásares y rayos gamma

Aunque el estudio no modela una situación astrofísica completa —el entorno real de un agujero negro incluye discos de acreción, chorros colimados y campos magnéticos complejos—, sus resultados son escalables a distintos rangos de masa.

Esto significa que los mismos principios físicos podrían explicar tanto los chorros del agujero negro supermasivo M87* —el primero fotografiado por el Telescopio del Horizonte de Sucesos— como los estallidos de rayos gamma producidos por agujeros negros estelares.

En ambos casos, la eficiencia del mecanismo de Blandford–Znajek parece suficiente para explicar la potencia observada de los chorros relativistas, que en los cuásares supera en miles de veces la luminosidad de toda una galaxia.

Simulaciones en 2D, el futuro en 3D

Los autores reconocen, sin embargo, que su estudio está limitado a dos dimensiones. Simulaciones tridimensionales —más costosas pero también más realistas— podrían revelar una dinámica todavía más rica, con turbulencias, inestabilidades y efectos de colimación del chorro. Además, los modelos futuros incorporarán iones y protones, no solo pares electrón-positrón, para acercarse a las condiciones reales del plasma astrofísico.

Rezzolla, uno de los teóricos más reconocidos en relatividad numérica, lo resume así: «Por primera vez podemos observar directamente, partícula a partícula, cómo un agujero negro giratorio convierte su rotación en energía electromagnética. Es una validación definitiva de un proceso que intuíamos desde hace décadas».

Y añade: «Al mismo tiempo, es increíblemente emocionante y fascinante poder entender mejor lo que ocurre cerca de un agujero negro utilizando códigos numéricos sofisticados. Y resulta aún más gratificante poder explicar los resultados de estas complejas simulaciones mediante un tratamiento matemático riguroso, como hemos hecho en nuestro trabajo».

El agujero negro M87*, captado por el Telescopio del Horizonte de Sucesos, emite un poderoso chorro relativista que ya fue observado hace un siglo por el astrónomo Heber Curtis. Investigadores de la Universidad Goethe de Frankfurt explican ahora cómo los agujeros negros en rotación transforman su energía en chorros ultrarrápidos. Cortesía: Universidad Goethe de Frankfurt / EHT Collaboration

Una dinamo cósmica universal

El estudio no solo confirma la teoría de Blandford y Znajek, sino que proporciona una fórmula analítica precisa para predecir cuánta energía electromagnética puede extraer un agujero negro de cualquier masa o velocidad de rotación. En términos simples, cuanto más rápido gira el agujero negro, más eficientemente genera su propio chorro.

La coincidencia entre los cálculos de partículas, los modelos de fluidos y las predicciones teóricas sugiere que el fenómeno es robusto y universal: una misma ley física rige la formación de chorros desde los microcuásares de unas pocas masas solares hasta los titanes galácticos de mil millones de soles en el corazón de las galaxias.

«Los agujeros negros no solo tragan —explica Rezzolla—, también pueden devolver parte de lo que absorben, en forma de energía pura. Son los motores electromagnéticos más eficientes del universo».

Cuando el abismo se enciende

La nueva generación de simulaciones relativistas, como la que presentan Meringolo y su equipo, está transformando la manera en que entendemos la física extrema. Gracias a ellas, el agujero negro deja de ser una frontera muda para convertirse en un laboratorio de procesos fundamentales: reconexión magnética, aceleración de partículas, transporte de energía y dinámica del espacio-tiempo.

El hallazgo de que ambos canales —el electromagnético de Blandford–Znajek y el de partículas del proceso de Penrose— pueden operar simultáneamente abre un nuevo horizonte en la física de los chorros cósmicos.

Lo que antes eran solo ecuaciones ahora se observa en simulaciones de alta precisión: el abismo, literalmente, se enciende.▪️

• Información facilitada por la Universidad Goethe de Fráncfort del Meno

• Fuente: Claudio Meringolo, Filippo Camilloni, and Luciano Rezzolla. Electromagnetic Energy Extraction from Kerr Black Holes: Ab Initio Calculations. The Astrophysical Journal Letters (2025). DOI: 10.3847/2041-8213/ae06a6