Radiación de agujeros negros acretantes: problemas micro- y macrofísicos
Authors:   , Gutiérrez Eduardo Mario 
Published: February 2023

Los agujeros negros acretantes son los componentes centrales de una amplia variedad de sistemas astrofísicos como binarias de rayos X, núcleos galácticos activos y erupciones de rayos gamma, entre otros. El estudio de estos sistemas conlleva el análisis teórico y observacional de su emisión electromagnética, así como también de la emisión de otras partículas mensajeras como rayos cósmicos, neutrinos, u ondas gravitacionales. Esta tesis se centra en el estudio teórico de algunos de los problemas abiertos asociados a la radiación de agujeros negros acretantes. Estos problemas pueden dividirse en dos tipos: problemas microfísicos y problemas macrofísicos. Uno de los problemas abiertos de característica microfísica más importantes es el de la ocurrencia o no de procesos no térmicos en el flujo de acreción que alimenta al agujero negro. En particular, en los llamados flujos de acreción calientes, tanto leptones como hadrones pueden ser acelerados por diversos mecanismos y formar una distribución de tipo ley de potencia. La presencia de este tipo de poblaciones da lugar a una fenomenología muy distinta a la esperable por un flujo de acreción puramente térmico. Para estudiar la relevancia de los procesos no térmicos, desarrollamos un modelo autoconsistente que trata los aspectos hidrodinámicos del flujo, la radiación térmica, la evolución de partículas aceleradas a distribuciones no térmicas y de las partículas secundarias creadas, sus interacciones de altas energías y la radiación asociada. Aplicamos el modelo a núcleos galácticos activos de distintas luminosidades con el fin de realizar predicciones sobre los efectos de las partículas no térmicas en cada uno de estos escenarios. Luego, extendemos el modelo para incluir el tratamiento de procesos no térmicos transitorios, y así explicamos la ocurrencia de fulguraciones extremas como las que se observan en el agujero negro acretante en el centro de nuestra galaxia, Sagittarius A*. Por otro lado, investigamos el problema de cómo los jets relativistas lanzados por agujeros negros adquieren materia en las regiones cercanas a su base. En particular, cuantificamos el efecto que tiene la radiación del flujo de acreción sobre el jet a través del siguiente mecanismo: las partículas neutras (fotones y neutrones) producidas en el flujo pueden escapar del mismo e inyectar protones y electrones en el jet. Por último, investigamos el efecto que tiene la radiación de los flujos de acreción calientes en la producción de rayos cósmicos en la cercanía de agujeros negros acretantes de baja luminosidad. Un problema macrofísico de suma importancia es el entendimiento de las propiedades de la emisión de sistemas binarios de agujeros negros supermasivos acretantes. Estos sistemas son potenciales fuentes multimensajero de ondas gravitacionales y ondas electromagnéticas, y posiblemente también de otras partículas. Los flujos de acreción en sistemas binarios de agujeros negros presentan diferencias fundamentales con aquellos que se dan en agujeros negros simples; comprender con precisión estas diferencias es fundamental para lograr identificarlos observacionalmente y así poder predecir con antelación futuras fusiones de agujeros negros supermasivos. Con este objetivo, realizamos simulaciones de trazado de rayos ("ray-tracing") sobre datos de simulaciones magnetohidrodinámicas en Relatividad General de sistemas binarios de agujeros negros en la fase previa a la fusión. Calculamos espectros y curvas de luz para casos con agujeros negros rotantes y no rotantes y analizamos sus diferencias. Mostramos además que los procesos cuasi-periódicos que ocurren en el sistema de acreción trasladan su periodicidad al espectro a distintas frecuencias. Asimismo, los efectos relativistas asociados al rápido movimiento de los agujeros negros orbitantes y a la estructura espaciotemporal dinámica infringen variabilidades adicionales, e incluso dan lugar a fuertes fulguraciones periódicas. En la misma línea de trabajo, investigamos las posibles interacciones entre los \jets lanzados por ambos agujeros negros. Proponemos que tales interacciones dan lugar a fulguraciones periódicas en distintas bandas del espectro electromagnético. Para estudiar este fenómeno, desarrollamos un modelo semi-analítico, informado por los resultados más robustos de simulaciones numéricas, y estudiamos el espacio de parámetros del modelo para cuantificar la intensidad, las características espectrales y la potencial detectabilidad de estas fulguraciones.