Os buracos negros devoram matéria mais rápido do que o esperado

Um novo estudo liderado pela Northwestern University está mudando a forma como os astrofísicos entendem os hábitos alimentares dos buracos negros supermassivos.

Embora investigadores anteriores tenham levantado a hipótese de que os buracos negros se alimentam lentamente, novas simulações indicam que os buracos negros devoram comida muito mais rapidamente do que sugere a compreensão convencional.

O estudo, intitulado “Nozzle shocks, disk tearing and streamers drive rapid accretion in 3D GRMHD simulations of warped thin disks,” foi publicado no The Astrophysical Journal.

De acordo com novas simulações 3D de alta resolução, buracos negros giratórios distorcem o espaço-tempo circundante, destruindo em última instância o violento redemoinho de gás (ou disco de acreção) que os circunda e os alimenta. Isso resulta na divisão do disco em um subdisco interno e outro externo. Os buracos negros primeiro devoram o anel interno. Então, os detritos do subdisco externo são derramados para dentro para preencher a lacuna deixada pelo anel interno totalmente consumido, e o processo de alimentação se repete.

Um ciclo do processo de repetição interminável de comer-reabastecer-comer leva apenas alguns meses – uma escala de tempo surpreendentemente rápida em comparação com as centenas de anos que os investigadores propuseram anteriormente.

Esta nova descoberta pode ajudar a explicar o comportamento dramático de alguns dos objetos mais brilhantes do céu noturno, incluindo os quasares, que surgem abruptamente e depois desaparecem sem explicação.

“A teoria clássica do disco de acreção prevê que o disco evolui lentamente”, disse Nick Kaaz da Northwestern, que liderou o estudo. “Mas alguns quasares – que resultam de buracos negros que comem gás dos seus discos de acreção – parecem mudar drasticamente ao longo de escalas de tempo de meses a anos. Esta variação é tão drástica. Parece que a parte interna do disco – onde a maior parte da luz vem – é destruído e depois reabastecido. A teoria clássica do disco de acreção não pode explicar essa variação drástica. Mas os fenômenos que vemos em nossas simulações poderiam explicar isso. O rápido brilho e escurecimento são consistentes com as regiões internas do disco sendo destruídas.”

Kaaz é estudante de pós-graduação em astronomia na Weinberg College of Arts and Sciences da Northwestern e membro do Centro de Exploração e Pesquisa Interdisciplinar em Astrofísica (CIERA), e é orientado pelo coautor do artigo Alexander Tchekhovskoy, professor associado de física e astronomia na Weinberg e membro do CIERA.

Suposições erradas

Os discos de acreção que rodeiam os buracos negros são objetos fisicamente complicados, o que os torna incrivelmente difíceis de modelar. A teoria convencional tem lutado para explicar por que esses discos brilham tanto e depois diminuem abruptamente – às vezes a ponto de desaparecerem completamente.

Pesquisadores anteriores assumiram erroneamente que os discos de acreção são relativamente ordenados. Nestes modelos, o gás e as partículas girariam em torno do buraco negro – no mesmo plano do buraco negro e na mesma direção da rotação do buraco negro. Depois, ao longo de uma escala de tempo de centenas a centenas de milhares de anos, as partículas de gás espiralariam gradualmente para dentro do buraco negro para alimentá-lo.

“Durante décadas, as pessoas fizeram uma grande suposição de que os discos de acreção estavam alinhados com a rotação do buraco negro”, disse Kaaz. “Mas o gás que alimenta estes buracos negros não sabe necessariamente para que lado o buraco negro está a rodar, então porque é que estariam alinhados automaticamente? Mudar o alinhamento muda drasticamente a imagem.”

A simulação dos investigadores, que é uma das simulações de discos de acreção de maior resolução até à data, indica que as regiões que rodeiam o buraco negro são locais muito mais confusos e turbulentos do que se pensava anteriormente.

Buracos negros são mais como um giroscópio, menos como um prato

Usando o Summit, um dos maiores supercomputadores do mundo, localizado no Laboratório Nacional de Oak Ridge, os pesquisadores realizaram uma simulação 3D de magnetohidrodinâmica relativística geral (GRMHD) de um disco de acreção fino e inclinado. Embora as simulações anteriores não tenham sido suficientemente poderosas para incluir toda a física necessária para construir um buraco negro realista, o modelo liderado pela Universidade de Northwestern inclui dinâmica de gases, campos magnéticos e relatividade geral para montar uma imagem mais completa.

“Os buracos negros são objetos relativísticos gerais extremos que afetam o espaço-tempo ao seu redor”, disse Kaaz. “Então, quando eles giram, eles arrastam o espaço ao seu redor como um carrossel gigante e o forçam a girar também – um fenômeno chamado ‘arrasto de quadro’. Isto cria um efeito muito forte perto do buraco negro, que se torna cada vez mais fraco à distância.”

O arrasto de quadros faz com que todo o disco oscile em círculos, semelhante à precessão de um giroscópio. Mas o disco interno ‘quer’ oscilar muito mais rapidamente do que as partes externas. Essa incompatibilidade de forças faz com que todo o disco se deforme, fazendo com que gases de diferentes partes do disco colidam. As colisões criam choques brilhantes que aproximam violentamente o material cada vez mais perto do buraco negro.

À medida que a deformação se torna mais severa, a região mais interna do disco de acreção continua a oscilar cada vez mais rápido até se separar do resto do disco. Então, de acordo com as novas simulações, os subdiscos começam a evoluir independentemente uns dos outros. Em vez de se moverem suavemente como um prato plano que envolve o buraco negro, os subdiscos oscilam independentemente em diferentes velocidades e ângulos, como as rodas de um giroscópio.

“Quando o disco interno se rompe, ele irá precessar de forma independente”, disse Kaaz. “Ele precessa mais rápido porque está mais próximo do buraco negro e porque é pequeno, por isso é mais fácil de se mover.”

‘Onde os buracos negros vencem’

De acordo com a nova simulação, a região de ruptura – onde os subdiscos internos e externos se desconectam – é onde o frenesi de alimentação realmente começa. Enquanto a fricção ‘tenta’ manter o disco unido, a torção do espaço-tempo pelo buraco negro giratório ‘quer’ despedaçá-lo.

“Há competição entre a rotação do buraco negro e a fricção e pressão dentro do disco”, disse Kaaz. “A região dilacerante é onde o buraco negro vence. Os discos interno e externo colidem um no outro. O disco externo raspa as camadas do disco interno, empurrando-o para dentro.”

Agora os subdiscos se cruzam em ângulos diferentes. O disco externo derrama material sobre o disco interno. Esta massa extra também empurra o disco interno em direção ao buraco negro, onde é devorado. Então, a própria gravidade do buraco negro puxa o gás da região externa em direção à região interna, agora vazia, para reabastecê-lo.

A conexão do quasar

Kaaz disse que esses ciclos rápidos de devorar-reabastecer-devorar explicam potencialmente os chamados quasares de “mudança de aparência”. Os quasares são objetos extremamente luminosos que emitem 1.000 vezes mais energia do que os 200 bilhões a 400 bilhões de estrelas da Via Láctea. Os quasares que mudam de aparência são ainda mais extremos. Eles parecem ligar e desligar ao longo de meses – um pequeno período de tempo para um quasar típico.

Embora a teoria clássica tenha proposto suposições sobre a rapidez com que os discos de acreção evoluem e mudam de brilho, as observações de quasares com aparência variável indicam que eles realmente evoluem muito, muito mais rápido.

“A região interna de um disco de acreção, de onde vem a maior parte do brilho, pode desaparecer totalmente – muito rapidamente ao longo de meses”, disse Kaaz. “Basicamente, vemos que ele desaparece completamente. O sistema deixa de ser brilhante. Depois, ele brilha novamente e o processo se repete. A teoria convencional não tem como explicar por que ele desaparece, e não explica como ele recarrega tão rapidamente.”

As novas simulações não só explicam potencialmente os quasares, como também podem responder a questões em curso sobre a natureza misteriosa dos buracos negros.

“Como o gás chega a um buraco negro para alimentá-lo é a questão central na física do disco de acreção”, disse Kaaz. “Se você souber como isso acontece, isso lhe dirá quanto tempo o disco dura, quão brilhante ele é e como deve ser a luz quando a observamos com telescópios.”