Compreender a mecânica do universo é um dos maiores desafios da ciência, mas a tecnologia deu agora um passo de gigante para ajudar nessa missão. Uma equipa de astrofísicos do Institute for Advanced Study e do Flatiron Institute criou o modelo informático mais detalhado até à data sobre como a matéria cai para dentro de um buraco negro. Segundo a informação publicada pelo Institute for Advanced Study e o estudo partilhado no The Astrophysical Journal, este é o primeiro trabalho a calcular estes fluxos de matéria utilizando a relatividade geral completa e num regime dominado pela radiação, sem recorrer a atalhos matemáticos.
Simulações sem limites e o poder do exascale
O investigador principal, Lizhong Zhang, explicou que esta foi a primeira vez que a equipa conseguiu ver o que acontece quando os processos físicos mais importantes da acreção de um buraco negro são incluídos com precisão nos modelos. Como estes sistemas são extremamente não-lineares, qualquer suposição que simplifique demasiado a equação pode alterar completamente o resultado final. O mais entusiasmante para os investigadores foi verificar que as suas simulações reproduzem comportamentos consistentes com os sistemas de buracos negros reais observados no céu, permitindo observar estes fenómenos não através de um telescópio, mas sim através de um computador.
Para conseguir este nível de detalhe sem precedentes, o estudo baseou-se no poder de processamento de dois dos computadores mais rápidos do mundo. O supercomputador Frontier, alimentado pela arquitetura AMD no Laboratório Nacional de Oak Ridge, e o sistema Aurora, baseado em equipamento da Intel no Laboratório Nacional de Argonne. Por serem máquinas da classe exascale, conseguem realizar um quintilhão de operações por segundo. Esta capacidade massiva permitiu aplicar o novo algoritmo de transporte de radiação desenhado por Christopher White e implementado por Patrick Mullen, processando cálculos que antes eram complexos demais para a tecnologia existente.
O limite de Eddington e os jatos de energia
A equipa analisou diversos fluxos de acreção dominados pela radiação, testando várias taxas de acumulação de matéria, dois valores de rotação do buraco negro e diferentes configurações de campo magnético. Os resultados demonstraram que quando a matéria se acumula a taxas acima do chamado limite de Eddington, formam-se discos espessos suportados pela pressão da radiação que expelem fortes ventos equatoriais. Neste cenário, uma fotosfera estreita perto do centro resulta numa eficiência radiativa muito baixa, o que significa que grande parte da energia fica presa no processo e não é libertada como luz.
O limite de Eddington representa a luminosidade teórica máxima que um buraco negro em acreção pode sustentar antes que a pressão da radiação afaste a matéria envolvente, interrompendo o fluxo. Na prática, este limite define a rapidez com que estes corpos celestes conseguem crescer.
Quando a acumulação de matéria acontece perto ou abaixo deste limite, a estrutura altera-se consoante o fluxo magnético. Com fluxo magnético vertical, o disco forma uma camada central fina e densa cercada por uma coroa com domínio magnético. Sem esse fluxo, o disco permanece dominado magneticamente em toda a sua área. Embora nenhum dos modelos tenha atingido o estado de disco magneticamente detido, as simulações com fluxo vertical e buracos negros de rotação rápida produziram jatos relativísticos incrivelmente poderosos.
Pistas para decifrar dados do telescópio James Webb
O estudo centrou-se em buracos negros de massa estelar, que contam com cerca de dez vezes a massa do Sol. Uma vez que são mais difíceis de observar diretamente do que os buracos negros supermassivos, os investigadores confiam fortemente nos espectros luminosos para os compreender. Como estes modelos de massa estelar evoluem numa escala de minutos ou horas, assumem-se como as bases perfeitas para estudar as alterações do sistema em tempo real.
A validade da pesquisa comprovou-se pela correspondência exata com os dados de observação do mundo real. Os resultados alinharam-se com os espectros de binários de raios-X e de fontes ultraluminosas observadas no céu, como Cyg X-3 e SS433. Adicionalmente, o estudo sugere que as conclusões super-Eddington podem mesmo ajudar a explicar a origem dos misteriosos "pequenos pontos vermelhos" que foram avistados recentemente pelo Telescópio Espacial James Webb.
A equipa planeia agora expandir esta abordagem para os buracos negros supermassivos, entidades que moldam a evolução das galáxias, e procurar refinar ainda mais os modelos para capturar a forma como a radiação interage com a matéria debaixo das condições mais extremas do universo.
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