Radiación de agujeros negros acretantes: problemas micro- y macrofísicos

Abstract

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.

Accreting black holes are the key components of a wide variety of astrophysical systems such as X-ray binaries, active galactic nuclei, and g ray bursts, among others. The study of these systems entails the theoretical and observational analysis of their electromagnetic emission and the emission of other messenger particles such as cosmic rays, neutrinos, or gravitational waves. This thesis focuses on the theoretical study of some of the open problems associated with the radiation of accreting black holes. These problems can be divided into two types: microphysical problems and macrophysical problems. One of the most important open problems of microphysical characteristics is whether or not non-thermal processes in the accretion flow that feeds the black hole take place. In particular, in the so-called hot accretion flows, both leptons and hadrons might be accelerated by various mechanisms and follow a power-law distribution. The presence of this type of population gives rise to a very different phenomenology from that expected by a purely thermal accretion flow. To study the relevance of nonthermal processes, we develop a self-consistent model that deals with hydrodynamic aspects of the flow, thermal radiation, the evolution of accelerated particles to nonthermal distributions, and of the secondary particles created, their high-energy interactions, and the associated radiation. We apply the model to active galactic nuclei of different luminosities in order to make predictions about the effects of nonthermal particles in each of these scenarios. We then extend the model to include the treatment of transient nonthermal processes, and thus explain the occurrence of extreme flares such as those observed in the accreting black hole at the center of our galaxy, Sagittarius A*. On the other hand, we investigate the problem of how relativistic jets launched by black holes acquire matter in the regions near their launching point. In particular, we quantify the effect of the accretion flow’s radiation on the jet through the following mechanism: neutral particles (photons and neutrons) produced in the flow can escape from it and inject protons and electrons into the jet. Finally, we investigate the effect of radiation from hot accretion fluxes on cosmic ray production in the vicinity of low-luminosity accreting black holes. An important macrophysical problem is the understanding of the emission properties of binary systems of accreting supermassive black holes. These systems are potential multimessenger sources of gravitational waves and electromagnetic waves, and possibly of other particles as well. Accretion flows in supermassive black hole binaries differ from those in simple black holes; an accurate understanding of these differences is essential to identify them via observations and thus be able to predict in advance future supermassive black hole mergers. To this end, we perform ray-tracing simulations on data from magnetohydrodynamic simulations in General Relativity of supermassive black hole binaries approaching merger. We calculate spectra and light curves for scenarios with rotating and non-rotating black holes and analyze their differences. We also show that the quasi periodic processes that occur in the accretion system translate their periodicity to the electromagnetic emission at different frequencies. Moreover, the relativistic effects associated with the fast motion of the orbiting black holes and the dynamic space-time structure infringe additional variabilities, in particular, giving rise to strong periodic flares. In the same line of work, we investigate the possible interactions between the jets launched by both black holes. We propose that such interactions produce periodic flares in different bands of the electromagnetic spectrum. To study this phenomenon, we develop a semianalytical model, informed by the most robust results from numerical simulations, and study the parameter space of the model to quantify the intensity, spectral characteristics, and potential detectability of these flares.