Simulações detalham como buracos negros de massa estelar engolem e devolvem matéria

As regiões de fronteira dos buracos negros deveriam ser ambientes caóticos, onde o ritmo com que a matéria é puxada para a aniquilação seria limitado apenas pela fúria ofuscante da radiação que escapa da beira da escuridão.

Essa área é considerada instável, sujeita a erupções, jatos e explosões. Ainda assim, prever esses eventos dinâmicos é algo complicado, já que descrições matematicamente precisas do espaço deformado e da física extrema ao redor deles continuam sendo um grande desafio.

Um novo estudo de modelagem, liderado por pesquisadores do Flatiron Institute, nos EUA, agora oferece as simulações mais detalhadas até hoje de como buracos negros de massa estelar engolem e expelem matéria em diferentes taxas.

De forma crucial, o estudo não recorreu às simplificações adotadas em modelos anteriores. Esses atalhos antes eram necessários apenas para tornar os cálculos viáveis, mas, neste caso, as simulações foram construídas com base em dados muito mais complexos.

Usando dois supercomputadores poderosos para combinar observações de levantamento dos fluxos de acreção de buracos negros com medições de sua rotação e de seu campo magnético, a equipe desenvolveu um novo modelo que descreve o movimento de gás, luz e magnetismo ao redor de buracos negros pouco maiores que o nosso 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 Flatiron Institute.

"Esses sistemas são extremamente não lineares – qualquer suposição excessivamente simplificada pode mudar completamente o resultado."

As novas simulações estão de acordo com observações de vários tipos de sistemas de buracos negros. Embora imagens detalhadas de buracos negros supermassivos já sejam possíveis, a luz emitida por objetos menores ainda precisa ser separada com cuidado para que os astrônomos consigam mapear a distribuição de sua energia.

Ao atrair material suficiente, mostraram os pesquisadores, os buracos negros acumulam discos de acreção espessos que absorvem quantidades significativas de radiação, liberando essa energia em vez disso por meio de ventos e jatos.

As simulações desses buracos negros vorazes também revelaram como se forma um funil estreito, que suga material em taxas impressionantes e gera um feixe de radiação de saída que só pode ser observado sob certos ângulos favoráveis.

A equipe também descobriu que a configuração do campo magnético ao redor pode desempenhar um papel importante no comportamento do buraco negro, ajudando a direcionar o fluxo de gás em direção ao horizonte e também para fora, na forma de ventos e jatos.

"O nosso é o único algoritmo que existe no momento que fornece uma solução tratando a radiação como ela realmente é na relatividade geral", afirma Zhang.

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

"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.

Na próxima etapa, os pesquisadores querem verificar se suas simulações também podem ser aplicadas a outros tipos de buracos negros, incluindo o buraco negro supermassivo Sagitário A*, no centro da nossa própria Via Láctea.

Eles também sugerem que essas simulações podem ajudar a resolver o mistério dos recentemente descobertos 'pequenos pontos vermelhos', que emitem menos radiação de raios X do que o esperado.

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

A pesquisa foi publicada no The Astrophysical Journal.