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Um novo estudo liderado pela Northwestern University está mudando a forma como os astrofísicos entendem os hábitos alimentares dos buracos negros supermassivos.
Embora investigadores anteriores tenham levantado a hipótese de que os buracos negros comem lentamente, novas simulações indicam que os buracos negros devoram comida muito mais rapidamente do que sugere a compreensão convencional.
O estudo será publicado na quarta-feira (20 de setembro) em O Jornal Astrofísico.
De acordo com novas simulações 3D de alta resolução, os buracos negros giratórios distorcem o espaço-tempo circundante, acabando por destruir o violento redemoinho de gás (ou disco de acreção) que os circunda e os alimenta. Isso resulta na divisão do disco em subdiscos internos e externos. Os buracos negros primeiro devoram o anel interno. Então, os detritos do subdisco externo são derramados para dentro para preencher a lacuna deixada pelo anel interno totalmente consumido, e o processo de alimentação se repete.
Um ciclo do processo de repetição interminável de comer-reabastecer-comer leva apenas alguns meses – uma escala de tempo surpreendentemente rápida em comparação com as centenas de anos que os investigadores propuseram anteriormente.
Esta nova descoberta pode ajudar a explicar o comportamento dramático de alguns dos objetos mais brilhantes do céu noturno, incluindo os quasares, que surgem abruptamente e depois desaparecem sem explicação.
“A teoria clássica do disco de acreção prevê que o disco evolui lentamente”, disse Nick Kaaz da Northwestern, que liderou o estudo. “Mas alguns quasares – que resultam de buracos negros que comem gás dos seus discos de acreção – parecem mudar drasticamente ao longo de escalas de tempo de meses a anos. Esta variação é tão drástica. Parece que a parte interna do disco – onde a maioria da luz vem de – é destruída e depois reabastecida. A teoria clássica do disco de acreção não pode explicar essa variação drástica. Mas os fenômenos que vemos em nossas simulações poderiam potencialmente explicar isso. O rápido brilho e escurecimento são consistentes com as regiões internas do disco sendo destruído.”
Kaaz é estudante de graduação em astronomia na Weinberg College of Arts and Sciences da Northwestern e membro do Centro de Exploração e Pesquisa Interdisciplinar em Astrofísica (CIERA). Kaaz é aconselhado pelo coautor do artigo Alexander Tchekhovskoy, professor associado de física e astronomia em Weinberg e membro do CIERA.
Suposições erradas
Os discos de acreção que rodeiam os buracos negros são objetos fisicamente complicados, o que os torna incrivelmente difíceis de modelar. A teoria convencional tem lutado para explicar porque é que estes discos brilham tão intensamente e depois diminuem abruptamente – por vezes até ao ponto de desaparecerem completamente.
Pesquisadores anteriores assumiram erroneamente que os discos de acreção são relativamente ordenados. Nestes modelos, o gás e as partículas giram em torno do buraco negro – no mesmo plano que o buraco negro e na mesma direção da rotação do buraco negro. Depois, ao longo de uma escala de tempo de centenas a centenas de milhares de anos, as partículas de gás espiralam gradualmente para dentro do buraco negro para alimentá-lo.
“Durante décadas, as pessoas fizeram uma grande suposição de que os discos de acreção estavam alinhados com a rotação do buraco negro”, disse Kaaz. “Mas o gás que alimenta estes buracos negros não sabe necessariamente para que lado o buraco negro está a rodar, então porque é que estariam alinhados automaticamente? Mudar o alinhamento muda drasticamente a imagem.”
A simulação dos investigadores, que é uma das simulações de discos de acreção de maior resolução até à data, indica que as regiões que rodeiam o buraco negro são locais muito mais confusos e turbulentos do que se pensava anteriormente.
Mais como um giroscópio, menos como uma placa
Usando o Summit, um dos maiores supercomputadores do mundo localizado no Laboratório Nacional de Oak Ridge, os pesquisadores realizaram uma simulação 3D de magnetohidrodinâmica relativística geral (GRMHD) de um disco de acreção fino e inclinado. Embora as simulações anteriores não tenham sido suficientemente poderosas para incluir toda a física necessária para construir um buraco negro realista, o modelo liderado por Northwestern inclui dinâmica de gases, campos magnéticos e relatividade geral para montar uma imagem mais completa.
“Os buracos negros são objetos relativísticos gerais extremos que afetam o espaço-tempo ao seu redor”, disse Kaaz. “Então, quando eles giram, eles arrastam o espaço ao seu redor como um carrossel gigante e o forçam a girar também – um fenômeno chamado ‘arrasto de quadro’. Isto cria um efeito muito forte perto do buraco negro, que se torna cada vez mais fraco à distância.”
O arrasto de quadros faz com que todo o disco oscile em círculos, semelhante à precessão de um giroscópio. Mas o disco interno quer oscilar muito mais rapidamente do que as partes externas. Essa incompatibilidade de forças faz com que todo o disco se deforme, fazendo com que gases de diferentes partes do disco colidam. As colisões criam choques brilhantes que aproximam violentamente o material cada vez mais do buraco negro.
À medida que a deformação se torna mais severa, a região mais interna do disco de acreção continua a oscilar cada vez mais rápido até se separar do resto do disco. Então, de acordo com as novas simulações, os subdiscos começam a evoluir independentemente uns dos outros. Em vez de se moverem suavemente como uma placa plana que envolve o buraco negro, os subdiscos oscilam independentemente em diferentes velocidades e ângulos, como as rodas de um giroscópio.
“Quando o disco interno se rompe, ele irá precessar de forma independente”, disse Kaaz. “Ele precessa mais rápido porque está mais próximo do buraco negro e porque é pequeno, por isso é mais fácil de se mover.”
‘Onde o buraco negro vence’
De acordo com a nova simulação, a região de ruptura – onde os subdiscos internos e externos se desconectam – é onde o frenesi de alimentação realmente começa. Enquanto a fricção tenta manter o disco unido, a torção do espaço-tempo pelo buraco negro giratório quer despedaçá-lo.
“Há competição entre a rotação do buraco negro e a fricção e pressão dentro do disco”, disse Kaaz. “A região dilacerante é onde o buraco negro vence. Os discos interno e externo colidem um no outro. O disco externo raspa as camadas do disco interno, empurrando-o para dentro.”
Agora os subdiscos se cruzam em ângulos diferentes. O disco externo derrama material sobre o disco interno. Esta massa extra também empurra o disco interno em direção ao buraco negro, onde é devorado. Então, a própria gravidade do buraco negro puxa o gás da região externa em direção à região interna, agora vazia, para reabastecê-lo.
A conexão do quasar
Kaaz disse que esses ciclos rápidos de comer-reabastecer-comer explicam potencialmente os chamados quasares de “mudança de aparência”. Os quasares são objetos extremamente luminosos que emitem 1.000 vezes mais energia do que os 200 bilhões a 400 bilhões de estrelas da Via Láctea. Os quasares que mudam de aparência são ainda mais extremos. Eles parecem ligar e desligar ao longo de meses – uma pequena quantidade de tempo para um quasar típico.
Embora a teoria clássica tenha proposto suposições sobre a rapidez com que os discos de acreção evoluem e mudam de brilho, as observações de quasares com aparência variável indicam que eles realmente evoluem muito, muito mais rápido.
“A região interna de um disco de acreção, de onde vem a maior parte do brilho, pode desaparecer totalmente – muito rapidamente ao longo de meses”, disse Kaaz. “Basicamente, vemos que ele desaparece completamente. O sistema deixa de ser brilhante. Depois, ele brilha novamente e o processo se repete. A teoria convencional não tem como explicar por que ele desaparece, e não explica como ele recarrega tão rapidamente.”
As novas simulações não só explicam potencialmente os quasares, como também podem responder a questões em curso sobre a natureza misteriosa dos buracos negros.
“Como o gás chega a um buraco negro para alimentá-lo é a questão central na física dos discos de acreção”, disse Kaaz. “Se você souber como isso acontece, isso lhe dirá quanto tempo o disco dura, quão brilhante ele é e como deve ser a luz quando a observamos com telescópios.”
O estudo, “Choques de bico, ruptura de disco e streamers geram rápido acréscimo em simulações 3D GRMHD de discos finos deformados”, foi apoiado pelo Departamento de Energia dos EUA e pela National Science Foundation.
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