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

As regiões limítrofes de buracos negros tendem a ser ambientes caóticos, onde a velocidade com que a matéria é arrastada rumo ao esquecimento só é limitada pela fúria ofuscante da radiação que escapa da beira da escuridão.

Essa faixa ao redor do buraco negro é considerada instável e propensa a clarões, jatos e explosões súbitas. Ainda assim, prever esses eventos dinâmicos é difícil: descrever com rigor matemático o espaço-tempo distorcido e a física extrema do entorno continua sendo um desafio.

Novo modelo de acreção em buracos negros de massa estelar (com relatividade geral e radiação)

Um novo estudo de modelagem, liderado por pesquisadores do Flatiron Institute, nos EUA, apresenta as simulações mais detalhadas até agora de como buracos negros de massa estelar devoram e expulsam matéria em diferentes taxas de alimentação.

O ponto central é que o trabalho não dependeu das simplificações comuns em modelos anteriores. Esses atalhos já foram necessários para tornar os cálculos viáveis, mas, desta vez, as simulações partiram de dados muito mais complexos.

Com o uso de dois supercomputadores, a equipa combinou observações de levantamentos sobre fluxos de acreção em buracos negros com estimativas de rotação (spin) e de campo magnético. A partir disso, construiu um novo modelo capaz de descrever o movimento do gás, da luz e do magnetismo ao redor de buracos negros pouco maiores do que o nosso Sol.

“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”, afirma o astrofísico Lizhong Zhang, do Flatiron Institute.

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

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

Os resultados das novas simulações são consistentes com observações de diferentes tipos de sistemas com buracos negros. Embora hoje já seja possível obter imagens detalhadas de buracos negros supermassivos, a luz emitida por objetos menores ainda precisa ser cuidadosamente separada e interpretada para que astrónomos mapeiem como a energia se distribui nesses sistemas.

As simulações indicam que, ao capturar material suficiente, os buracos negros acumulam discos de acreção espessos que absorvem uma parcela significativa da radiação. Em vez de libertar essa energia apenas como luz, o sistema tende a canalizá-la para fora sob a forma de ventos e jatos.

Ao modelar esses buracos negros particularmente vorazes, os investigadores também observaram a formação de um funil estreito. Esse “canal” suga material a taxas surpreendentes e gera um feixe de radiação que só pode ser detectado a partir de certos ângulos de observação mais favoráveis.

Outro achado é que a configuração do campo magnético ao redor do buraco negro pode influenciar fortemente o seu comportamento, ajudando tanto a orientar o fluxo de gás em direcção ao horizonte quanto a guiá-lo de volta para fora na forma de ventos e jatos.

Por que tratar a radiação na relatividade geral faz diferença

Segundo Zhang, “o nosso é o único algoritmo que existe neste momento que fornece uma solução tratando a radiação como ela realmente é na relatividade geral”.

A simulação incorpora a teoria da relatividade geral de Einstein, que descreve como as massas deformam o espaço e o tempo, além de modelos detalhados das leis físicas que governam o gás em estado 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 já conhecidas de ondas lineares e choques”, escrevem os pesquisadores.

Um ponto prático dessa abordagem é que ela ajuda a ligar a física “real” do entorno do buraco negro aos sinais que telescópios medem. Isso pode melhorar a leitura conjunta de dados em diferentes bandas (rádio, óptico, ultravioleta e raios X), reduzindo ambiguidades sobre o que é absorção no disco, o que é emissão do jato e o que é energia carregada por ventos.

Além disso, modelos mais fiéis podem orientar campanhas de observação: se a visibilidade do feixe de radiação depende do ângulo, então o mesmo tipo de sistema pode parecer muito diferente conforme a nossa linha de visada - algo crucial para classificar fontes e comparar populações de buracos negros.

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

A equipa pretende agora testar se as simulações também se aplicam a outros tipos de buracos negros, incluindo o buraco negro supermassivo Sagittarius A, no centro da nossa *Via Láctea**.

Os pesquisadores também sugerem que o modelo pode ajudar a esclarecer o enigma dos recém-identificados “pequenos pontos vermelhos”, 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.

A pesquisa foi publicada em The Astrophysical Journal.