Os buracos negros têm sido uma fonte inesgotável de fascínio desde que a Teoria da Relatividade Geral de Einstein previu sua existência. Nos últimos 100 anos, o estudo dos buracos negros avançou consideravelmente, mas o temor e o mistério desses objetos permanecem. Por exemplo, os cientistas observaram que, em alguns casos, os buracos negros têm jatos maciços de partículas carregadas emanando deles que se estendem por milhões de anos-luz.
Esses "jatos relativísticos" - assim chamados porque impulsionam partículas carregadas a uma fração da velocidade da luz - intrigam os astrônomos há anos. Mas, graças a um estudo recente realizado por uma equipe internacional de pesquisadores, novas informações foram obtidas sobre esses jatos. Consistentes com a Relatividade Geral, os pesquisadores mostraram que esses jatos precessam gradualmente (ou seja, mudam de direção) como resultado do espaço-tempo ser arrastado para a rotação do buraco negro.
Seu estudo, intitulado “Formação de jatos de recesso por discos inclinados de buracos negros em simulações gerais 3D relativísticas MHD”, apareceu recentemente no Avisos mensais da Royal Astronomical Society. A equipe era formada por membros do Centro de Exploração e Pesquisa Interdisciplinar em Astrofísica (CIERA) da Northwestern University.
Para o estudo, a equipe realizou simulações usando o supercomputador Blue Waters da Universidade de Illinois. As simulações que eles conduziram foram as primeiras a modelar o comportamento de jatos relativísticos provenientes de buracos negros supermassivos (SMBHs). Com quase um bilhão de células computacionais, também foi a simulação de mais alta resolução de um buraco negro crescente já alcançado.
Como Alexander Tchekhovskoy, professor assistente de física e astronomia na Faculdade de Artes e Ciências Weinberg do noroeste, explicou em um recente comunicado à imprensa do Northwestern Now:
“Compreender como os buracos negros em rotação arrastam o espaço-tempo ao seu redor e como esse processo afeta o que vemos através dos telescópios continua sendo um quebra-cabeça crucial e difícil de quebrar. Felizmente, as inovações no desenvolvimento de códigos e os saltos na arquitetura de supercomputadores estão nos aproximando cada vez mais da busca de respostas. ”
Assim como todos os buracos negros supermassivos, as SMBHs girando rapidamente engolem regularmente (também conhecido como acúmulo) de matéria. No entanto, os buracos negros em rotação rápida também são conhecidos pela maneira como emitem energia na forma de jatos relativísticos. A matéria que alimenta esses buracos negros forma um disco rotativo em torno deles - também conhecido como. um disco de acréscimo - caracterizado por linhas de gás quente e campo magnético energizado.
É a presença dessas linhas de campo que permite que os buracos negros impulsionem energia na forma desses jatos. Como esses jatos são muito grandes, são mais fáceis de estudar do que os próprios buracos negros. Ao fazer isso, os astrônomos são capazes de entender a rapidez com que a direção desses jatos muda, o que revela coisas sobre a rotação dos próprios buracos negros - como a orientação e o tamanho de seus discos rotativos.
Simulações avançadas de computador são necessárias quando se trata de estudar buracos negros, principalmente porque eles não são observáveis à luz visível e geralmente estão muito distantes. Por exemplo, a SMBH mais próxima da Terra é Sagitário A *, localizado a cerca de 26.000 anos-luz de distância no centro de nossa galáxia. Dessa forma, as simulações são a única maneira de determinar como um sistema altamente complexo, como um buraco negro, opera.
Nas simulações anteriores, os cientistas operaram sob a suposição de que os discos dos buracos negros estavam alinhados. No entanto, a maioria das SMBHs possui discos inclinados - ou seja, os discos giram em torno de um eixo separado do que o próprio buraco negro. Portanto, este estudo foi seminal, pois mostrou como os discos podem mudar de direção em relação ao seu buraco negro, levando a jatos precessos que periodicamente mudam de direção.
Isso era desconhecido anteriormente devido à incrível quantidade de poder computacional necessário para construir simulações em 3D da região em torno de um buraco negro que gira rapidamente. Com o apoio de uma concessão da National Science Foundation (NSF), a equipe conseguiu isso usando o Blue Waters, um dos maiores supercomputadores do mundo.
Com esse supercomputador à disposição, a equipe conseguiu construir o primeiro código de simulação de buraco negro, que eles aceleraram usando as unidades de processamento gráfico (GPUs). Graças a essa combinação, a equipe conseguiu realizar simulações com o mais alto nível de resolução já alcançado - ou seja, perto de um bilhão de células computacionais. Como Tchekhovskoy explicou:
“A alta resolução nos permitiu, pela primeira vez, garantir que movimentos de disco turbulentos em pequena escala sejam capturados com precisão em nossos modelos. Para nossa surpresa, esses movimentos foram tão fortes que fizeram com que o disco engordasse e a precessão do disco parasse. Isso sugere que a precessão pode ocorrer em explosões. ”
A precessão dos jatos relativísticos poderia explicar por que foram observadas flutuações de luz vindas de buracos negros no passado - conhecidas como oscilações quase periódicas (QPOs). Essas vigas, que foram descobertas pela primeira vez por Michiel van der Klis (um dos co-autores do estudo), funcionam da mesma maneira que as vigas de um quasar, que parecem ter um efeito estroboscópico.
Este estudo é um dos muitos que estão sendo realizados sobre a rotação de buracos negros em todo o mundo, cujo objetivo é obter um melhor entendimento sobre descobertas recentes, como ondas gravitacionais, causadas pela fusão de buracos negros. Esses estudos também estão sendo aplicados a observações do Event Horizon Telescope, que capturou as primeiras imagens da sombra de Sagitário A *. O que eles revelarão certamente excitará e surpreenderá, e potencialmente aprofundará o mistério dos buracos negros.
No século passado, o estudo dos buracos negros avançou consideravelmente - desde estudos puramente teóricos a indiretos dos efeitos que eles causam na matéria circundante, até o estudo das próprias ondas gravitacionais. Talvez um dia possamos ser capazes de estudá-los diretamente ou (se não houver muito o que esperar) espiar diretamente dentro deles!
