Os buracos negros são uma das forças mais impressionantes e misteriosas do universo. Originalmente previsto pela Teoria da Relatividade Geral de Einstein, esses pontos no espaço-tempo são formados quando estrelas massivas sofrem colapso gravitacional no final de suas vidas. Apesar de décadas de estudo e observação, ainda há muito que não sabemos sobre esse fenômeno.
Por exemplo, os cientistas ainda estão em grande parte obscuros sobre como se comporta a matéria que entra em órbita em torno de um buraco negro e é gradualmente alimentada por ele (discos de acreção). Graças a um estudo recente, em que uma equipe internacional de pesquisadores conduziu as simulações mais detalhadas de um buraco negro até o momento, várias previsões teóricas sobre discos de acreção foram finalmente validadas.
A equipe era formada por astrofísicos computacionais do Instituto Anton Pannekoek de Astronomia da Universidade de Amsterdã, do Centro de Pesquisa e Pesquisa Interdisciplinar em Astrofísica da Universidade de Northwestern (CIERA) e da Universidade de Oxford. Os resultados das pesquisas foram publicados na edição de 5 de junho Avisos mensais da Royal Astronomical Society.
Entre suas descobertas, a equipe confirmou uma teoria originalmente apresentada em 1975 por James Bardeen e Jacobus Petterson, que passou a ser conhecida como Efeito Bardeen-Petterson. De acordo com essa teoria, a equipe descobriu que, embora a região externa de um disco de acreção permaneça inclinada, a região interna do disco se alinhará ao equador de seu buraco negro.
Simplificando, quase tudo o que os pesquisadores sabem sobre buracos negros foi aprendido estudando discos de acreção. Sem esses anéis brilhantes de gás e poeira, é improvável que os cientistas sejam capazes de localizar buracos negros. Além disso, o crescimento e a velocidade de rotação de um buraco negro também dependem do seu disco de acreção, o que os torna essenciais para entender a evolução e o comportamento dos buracos negros.
Como Alexander Tchekhovskoy, um
Desde que Bardeen e Petterson propuseram sua teoria, as simulações de buracos negros sofreram uma série de problemas que os impediram de determinar se esse alinhamento ocorre. Primeiro, quando os discos de acreção se aproximam do Horizonte de Eventos, eles aceleram a velocidades tremendas e se movem por regiões distorcidas do espaço-tempo.
Uma segunda questão que complica ainda mais as coisas é o fato de que a rotação de um buraco negro força o espaço-tempo a girar em torno dele. Ambas as questões exigem que os astrofísicos respondam pelos efeitos da relatividade geral, mas permanece a questão da turbulência magnética. Essa turbulência faz com que as partículas do disco se mantenham juntas em uma forma circular e
Até agora, os astrofísicos não tinham o poder da computação para explicar tudo isso. Para desenvolver um código robusto capaz de realizar simulações responsáveis por GR e turbulência magnética, a equipe desenvolveu um código baseado em unidades de processamento gráfico (GPUs). Comparadas às unidades de processamento central (CPUs) convencionais, as GPUs são muito mais eficientes nos algoritmos de processamento de imagem e computação que processam grandes quantidades de dados.
A equipe também incorporou um método chamado refinamento de malha adaptável, que economiza energia concentrando-se apenas em blocos específicos onde o movimento ocorre e se adapta de acordo. Para ilustrar a diferença, Tchekhovskoy comparou GPUs e
"Digamos que você precise se mudar para um novo apartamento. Você terá que fazer muitas viagens com esta Ferrari poderosa, porque ela não cabe em muitas caixas. Mas se você pudesse colocar uma caixa em cada cavalo, poderia mover tudo de uma só vez. Essa é a GPU. Ele possui muitos elementos, cada um dos quais é mais lento que os da CPU, mas existem muitos. ”
Por último, mas não menos importante, a equipe executou sua simulação usando os supercomputadores Blue Waters no Centro Nacional de Aplicações de Supercomputação (NCSA) da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign. O que eles descobriram foi que, enquanto a região externa de um disco puder ser lado a lado, a região interna será alinhada com o equador do buraco negro e uma urdidura suave os conectará.
Além de encerrar um debate de longa data sobre buracos negros e seus discos de acúmulo, este estudo também mostra que a astrofísica tem progredido muito desde os dias de Bardeen e Petterson. Como Matthew Liska, um pesquisador resumiu:
“Essas simulações não apenas resolvem um problema de 40 anos de idade, mas também demonstraram que, ao contrário do pensamento típico, é possível simular os discos de acreção mais luminosos em toda a relatividade geral. Isso abre caminho para uma próxima geração de simulações, que espero resolver problemas ainda mais importantes em torno dos discos de acúmulo luminoso. ”
A equipe resolveu o mistério de longa data do Efeito Bardeen-Petterson, afinando o disco de acréscimo a um grau sem precedentes e levando em consideração a turbulência magnetizada que faz com que o disco se acumule. Simulações anteriores fizeram uma simplificação substancial, apenas aproximando os efeitos da turbulência.
Além disso, as simulações anteriores funcionavam com discos mais finos que tinham uma relação altura / raio mínima de 0,05, enquanto os efeitos mais interessantes vistos por Tchekhovskoy e seus colegas ocorreram quando o disco foi reduzido a 0,03. Para sua surpresa, a equipe descobriu que, mesmo com discos de acréscimo incrivelmente finos, o buraco negro ainda emitia jatos de partículas e radiação a uma parte da velocidade da luz (também conhecido como jatos relativísticos).
Como Tchekhovskoy explicou, essa foi uma descoberta inesperada:
“Ninguém esperava que jatos fossem produzidos por esses discos com espessuras tão leves. As pessoas esperavam que os campos magnéticos que produzem esses jatos simplesmente atravessassem esses discos realmente finos. Mas aí estão eles. E isso realmente nos ajuda a resolver mistérios observacionais. ”
Com todas as descobertas recentes que os astrofísicos fizeram sobre buracos negros e seus discos de acúmulo, você pode dizer que estamos vivendo na segunda "Era de Ouro da Relatividade". E não seria exagero dizer que os benefícios científicos de toda essa pesquisa poderiam ser imensos. Ao entender como a matéria se comporta nas condições mais extremas, estamos cada vez mais perto de aprender como as forças fundamentais do Universo se encaixam.
