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Pesquisadores da Universidade de Helsinque obtiveram sucesso em algo que vinha sendo buscado desde a década de 1970: explicar a radiação de raios X dos arredores do buraco negro. A radiação se origina do efeito combinado dos movimentos caóticos de campos magnéticos e gás de plasma turbulento.
Usando simulações detalhadas de supercomputadores, pesquisadores da Universidade de Helsinque modelaram as interações entre radiação, plasma e campos magnéticos ao redor de buracos negros. Foi descoberto que os movimentos caóticos, ou turbulência, causados pelos campos magnéticos aquecem o plasma local e o fazem irradiar.
Foco na radiação de raios X dos discos de acreção
Um buraco negro é criado quando uma grande estrela colapsa em uma concentração tão densa de massa que sua gravidade impede até mesmo a luz de escapar de sua esfera de influência. É por isso que, em vez de observação direta, os buracos negros só podem ser observados por meio de seus efeitos indiretos no ambiente.
A maioria dos buracos negros observados tem uma estrela companheira, com a qual formam um sistema binário de estrelas. No sistema binário, os dois objetos orbitam um ao outro, e a matéria da estrela companheira lentamente espirala para dentro do buraco negro. Esse fluxo lento de gás frequentemente forma um disco de acreção ao redor do buraco negro, uma fonte brilhante e observável de raios X.
Desde a década de 1970, tentativas foram feitas para modelar a radiação dos fluxos de acreção ao redor dos buracos negros. Na época, já se pensava que os raios X eram gerados pela interação do gás local e dos campos magnéticos, semelhante a como os arredores do Sol são aquecidos por sua atividade magnética por meio de erupções solares.
“As explosões nos discos de acreção dos buracos negros são como versões extremas das explosões solares”, diz o professor associado Joonas Nättilä. Nättilä lidera o grupo de pesquisa de Astrofísica Computacional de Plasma na Universidade de Helsinque, que é especializado em modelar precisamente esse tipo de plasma extremo.
Interação radiação-plasma
As simulações demonstraram que a turbulência ao redor dos buracos negros é tão forte que até mesmo os efeitos quânticos se tornam importantes para a dinâmica do plasma.
Na mistura modelada de plasma elétron-pósitron e fótons, a radiação de raios X local pode se transformar em elétrons e pósitrons, que podem então se aniquilar novamente em radiação, à medida que entram em contato.
Nättilä descreve como elétrons e pósitrons, antipartículas entre si, geralmente não ocorrem no mesmo lugar. No entanto, os arredores extremamente energéticos dos buracos negros tornam isso possível. Em geral, a radiação também não interage com o plasma. No entanto, os fótons são tão energéticos ao redor dos buracos negros que suas interações são importantes para o plasma também.
“Na vida cotidiana, fenômenos quânticos em que a matéria aparece repentinamente no lugar de luz extremamente brilhante não são vistos, mas perto de buracos negros, eles se tornam cruciais”, diz Nättilä.
“Levamos anos para investigar e adicionar às simulações todos os fenômenos quânticos que ocorrem na natureza, mas, no final, valeu a pena”, acrescenta.
Uma imagem precisa das origens da radiação
O estudo demonstrou que o plasma turbulento produz naturalmente o tipo de radiação de raios X observada nos discos de acreção. A simulação também tornou possível, pela primeira vez, ver que o plasma ao redor dos buracos negros pode estar em dois estados de equilíbrio distintos, dependendo do campo de radiação externo. Em um estado, o plasma é transparente e frio, enquanto no outro, é opaco e quente.
“As observações de raios X dos discos de acreção de buracos negros mostram exatamente o mesmo tipo de variação entre os chamados estados suaves e duros”, ressalta Nättilä.
O estudo foi publicado na revista Comunicações da Natureza. A simulação usada no estudo é o primeiro modelo de física de plasma a incluir todas as interações quânticas importantes entre radiação e plasma. O estudo é parte de um projeto liderado por Nättilä e financiado com um Starting Grant de € 2,2 milhões do European Research Council, que visa entender as interações entre plasma e radiação.
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