Novas simulações do Instituto Flatiron detalham buracos negros de massa estelar

Nas fronteiras dos buracos negros, seria de se esperar um cenário caótico: um lugar em que a velocidade com que a matéria é arrastada para o esquecimento só é contida pela fúria ofuscante da radiação que vaza a partir da borda da escuridão.

Essa região é tida como instável, sujeita a clarões, jatos e erupções. Mesmo assim, antecipar esses eventos dinâmicos não é simples: descrições matematicamente precisas do espaço distorcido e da física extrema ao redor acabam sendo um desafio.

Um novo estudo de modelagem, liderado por pesquisadores do Instituto Flatiron, nos Estados Unidos, apresenta agora as simulações mais detalhadas até o momento sobre como buracos negros de massa estelar engolem e também expelêm matéria em diferentes ritmos.

Um modelo mais fiel para a acreção em buracos negros de massa estelar

O ponto decisivo é que o trabalho não dependeu das simplificações usadas em modelos anteriores. Esses atalhos, antes, eram necessários apenas para tornar os cálculos viáveis; desta vez, porém, as simulações foram construídas sobre dados bem mais complexos.

Com o auxílio de dois supercomputadores potentes, a equipa combinou observações de levantamentos sobre fluxos de acreção em buracos negros com medições de rotação e do campo magnético. A partir daí, desenvolveu um novo modelo para descrever o movimento de gás, luz e magnetismo ao redor de buracos negros pouco maiores do que o nosso próprio Sol.

“Esta é a primeira vez que conseguimos ver o que acontece quando os processos físicos mais importantes na acreção de buracos negros são incluídos com precisão”, diz o astrofísico Lizhong Zhang, do Instituto Flatiron.

“Esses sistemas são extremamente não lineares - qualquer suposição simplificadora demais pode mudar completamente o resultado.”

O que as simulações mostram sobre discos de acreção, ventos e jatos

As novas simulações batem com observações de diferentes tipos de sistemas com buracos negros. Embora hoje já seja possível obter imagens detalhadas de buracos negros supermassivos, a luz de objetos menores ainda precisa ser cuidadosamente separada para que astrónomos consigam mapear como a energia se distribui.

Os investigadores demonstraram que, ao atrair material suficiente, os buracos negros acumulam discos de acreção espessos, capazes de absorver quantidades relevantes de radiação - libertando essa energia, em vez disso, por meio de ventos e jatos.

Ao simular esses buracos negros vorazes, o estudo também indicou como se forma um funil estreito, que suga material a taxas impressionantes e gera um feixe de radiação que sai do sistema e só pode ser observado em certos ângulos de visão, quando as condições são favoráveis.

A equipa ainda concluiu que a configuração do campo magnético ao redor pode ter um papel importante no comportamento do buraco negro, ajudando a conduzir o fluxo de gás até o horizonte e também de volta para fora, na forma de ventos e jatos.

Relatividade geral, plasma e luz: o que entra no cálculo

“Por enquanto, o nosso é o único algoritmo que existe e que fornece uma solução ao tratar a radiação como ela realmente é na relatividade geral”, afirma Zhang.

A simulação incorpora a teoria da relatividade geral de Einstein, que descreve como as massas distorcem o espaço e o tempo, além de modelos detalhados com as leis da física que regem o gás de plasma, os campos magnéticos e a forma como a luz interage com a matéria.

“Os nossos métodos capturam com precisão a propagação de fótons no espaço-tempo curvo e, quando acoplados ao fluido, convergem para soluções conhecidas de ondas lineares e choques”, escrevem os pesquisadores.

Próximos passos: Sagittarius A* e os “pequenos pontos vermelhos”

A seguir, os cientistas querem verificar se as simulações também podem ser aplicadas a outros tipos de buracos negros, incluindo o Sagittarius A*, o buraco negro supermassivo no centro da nossa Via Láctea.

Eles também sugerem que os resultados podem ajudar a resolver o enigma dos “pequenos pontos vermelhos”, descobertos recentemente, que emitem menos radiação de raios X do que o esperado.

“Embora os nossos modelos usem opacidades apropriadas para buracos negros de massa estelar, é provável que muitas características gerais dos nossos resultados também se apliquem à acreção em buracos negros supermassivos”, escrevem os pesquisadores.

A pesquisa foi publicada no Jornal Astrofísico.