Supercomputadores simularam um buraco negro e encontraram algo que nunca vimos antes

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Um detalhe da simulação do buraco negro. Créditos: B. Ripperda et al., The Astrophysical Journal Letters, 2022.

Por Thomas Sumner
Publicado na Simons Foundation

Os buracos negros nem sempre estão no escuro. Os astrônomos detectaram intensos shows de luzes brilhando fora do horizonte de eventos de buracos negros supermassivos, incluindo o do núcleo da nossa galáxia. No entanto, os cientistas não conseguiram identificar a causa dessas luzes além da suspeita de envolvimento de campos magnéticos.

Ao empregar simulações de computador de potência e resolução incomparáveis, físicos disseram que resolveram o mistério: a energia liberada perto do horizonte de eventos de um buraco negro durante a reconexão das linhas do campo magnético alimenta erupções brilhantes, relatam os pesquisadores no The Astrophysical Journal Letters.

As novas simulações mostram que as interações entre o campo magnético e o material que cai na boca do buraco negro fazem com que o campo se comprima, achate, se fragmente e se reconecte. Esse processo, em última análise, usa energia magnética para lançar partículas de plasma quentes quase à velocidade da luz no buraco negro ou no espaço. Essas partículas podem então irradiar diretamente parte de sua energia cinética como fótons e dar aos fótons próximos um aumento de energia. Esses fótons energéticos compõem as misteriosas erupções brilhantes de buracos negros.

Neste modelo, o disco de material anteriormente caindo no buraco negro é ejetado durante as erupções brilhantes, limpando a área ao redor do horizonte de eventos. Essa limpeza poderia fornecer aos astrônomos uma visão desimpedida dos processos geralmente obscuros que acontecem fora do horizonte de eventos.

“O processo fundamental de reconectar as linhas do campo magnético perto do horizonte de eventos pode aproveitar a energia magnética da magnetosfera do buraco negro para alimentar erupções rápidas e brilhantes”, disse o coautor do estudo Bart Ripperda, pós-doutorando do Centro de Astrofísica Computacional da Flatiron Institute (CCA) na cidade de Nova York e na Universidade de Princeton (ambos no EUA). “É realmente aqui que estamos conectando a física do plasma com a astrofísica”.

Ripperda foi coautor do novo estudo com o pesquisador associado da CCA Alexander Philippov, os cientistas da Universidade Harvard Matthew Liska e Koushik Chatterjee, os cientistas da Universidade de Amsterdã Gibwa Musoke e Sera Markoff, o cientista da Universidade do Noroeste Alexander Tchekhovskoy e o cientista da Colégio Universitário de Londres Ziri Younsi.

Um frame capturado de uma das novas simulações de buracos negros. Aqui, as linhas verdes do campo magnético são sobrepostas em um mapa de plasma quente. Do lado de fora do horizonte de eventos do buraco negro, a conexão das linhas do campo magnético apontando em direções opostas faz um ponto X onde elas se cruzam. Esse processo de reconexão lança algumas partículas do plasma no buraco negro e outras no espaço, um passo importante na geração de erupções brilhantes de buracos negros. Créditos: B. Ripperda et al., The Astrophysical Journal Letters, 2022.

Um buraco negro, fazendo jus ao seu nome, não emite luz. Portanto, as erupções devem se originar de fora do horizonte de eventos do buraco negro – o limite onde a atração gravitacional do buraco negro se torna tão forte que nem mesmo a luz pode escapar. O material em órbita e sendo sugado envolve os buracos negros na forma de um disco de acreção, como aquele ao redor do gigantesco buraco negro encontrado na galáxia M87. Este material cai em cascata em direção ao horizonte de eventos perto do equador do buraco negro. Nos polos norte e sul de alguns desses buracos negros, jatos de partículas são lançados no espaço quase à velocidade da luz.

Identificar onde as erupções brilhantes se formam na anatomia de um buraco negro é incrivelmente difícil por causa da física envolvida. Os buracos negros dobram o tempo e o espaço e são cercados por poderosos campos magnéticos, campos de radiação e plasma turbulento – matéria tão quente que os elétrons se separam de seus átomos. Mesmo com a ajuda de computadores poderosos, os esforços anteriores só conseguiram simular sistemas de buracos negros em resoluções muito baixas para ver o mecanismo que alimenta as erupções brilhantes.

Ripperda e seus colegas se dedicaram a aumentar o nível de detalhes em suas simulações. Eles usaram o tempo de computação em três supercomputadores – o supercomputador Summit do Laboratório Nacional de Oak Ridge, no Tennessee, o supercomputador Longhorn da Universidade do Texas em Austin e o supercomputador Popeye do Flatiron Institute, localizado na Universidade da Califórnia, em San Diego (todos nos EUA). No total, o projeto levou milhões de horas de computação. O resultado de toda essa força computacional foi de longe a simulação de mais alta resolução dos arredores de um buraco negro já feita, com mais de 1.000 vezes a resolução dos esforços anteriores.

O aumento da resolução deu aos pesquisadores uma imagem sem precedentes dos mecanismos que levam a uma erupção brilhante de um buraco negro. O processo se concentra no campo magnético do buraco negro, que possui linhas de campo magnético que saem do horizonte de eventos do buraco negro, formando o jato e conectando-se ao disco de acreção. Simulações anteriores revelaram que o material que flui para o equador do buraco negro arrasta as linhas do campo magnético em direção ao horizonte de eventos. As linhas de campo arrastadas começam a se acumular perto do horizonte de eventos, eventualmente empurrando para trás e bloqueando o fluxo de material.

Com sua resolução excepcional, a nova simulação capturou pela primeira vez como o campo magnético na fronteira entre o material que flui e os jatos do buraco negro se intensifica, comprimindo e achatando as linhas do campo equatorial. Essas linhas de campo estão agora em vias alternadas apontando para o buraco negro ou para longe dele. Quando duas linhas apontando em direções opostas se encontram, elas podem se fragmentar, reconectar e emaranhar. Entre os pontos de conexão, forma-se um bolsão no campo magnético. Esses bolsões são preenchidos com plasma quente que cai no buraco negro ou é acelerado para o espaço em velocidades tremendas, graças à energia retirada do campo magnético dos jatos.

“Sem a alta resolução de nossas simulações, você não poderia capturar a subdinâmica e as subestruturas”, disse Ripperda. “Nos modelos de baixa resolução, a reconexão não ocorre, então não há mecanismo que possa acelerar as partículas”.

Um frame capturado de uma das novas simulações de buracos negros. Créditos: B. Ripperda et al., The Astrophysical Journal Letters, 2022.

Partículas de plasma no material catapultado imediatamente irradiam energia como fótons. As partículas de plasma podem mergulhar ainda mais na faixa de energia necessária para dar aos fótons próximos um aumento de energia. Esses fótons, sejam os que passam próximos ou os fótons inicialmente criados pelo plasma lançado, compõem as erupções mais energéticas. O material em si acaba em uma bolha quente orbitando nas proximidades do buraco negro. Tal bolha foi vista perto do buraco negro supermassivo da Via Láctea. “A reconexão magnética que alimenta um ponto tão quente é uma evidência concreta para explicar essa observação”, disse Ripperda.

Os pesquisadores também observaram que, após o buraco negro ter uma série de erupções por um tempo, a energia do campo magnético diminui e o sistema é reiniciado. Então, com o tempo, o processo começa de novo. Esse mecanismo cíclico explica por que os buracos negros emitem erupções em horários definidos que variam de todos os dias (para o buraco negro supermassivo da Via Láctea) a alguns anos (para M87 e outros buracos negros).

Ripperda acha que as observações do recém-lançado Telescópio Espacial James Webb combinadas com as do Telescópio Event Horizon podem confirmar se o processo visto nas novas simulações está acontecendo e se altera as imagens da sombra de um buraco negro. “Teremos que ver”, disse Ripperda. Por enquanto, ele e seus colegas estão trabalhando para melhorar suas simulações com ainda mais detalhes.