Em astrofísica, os buracos negros são tipicamente analisados usando o modelo simplificado de Schwarzschild. Simulações são menos comuns para analisar certos aspectos da física desses objetos. No entanto, a criação de um modelo de buraco negro abrangente e realista nunca havia sido feita antes. O primeiro trabalho desse tipo foi realizado nos Estados Unidos para um buraco negro de massa estelar, que se tornou o ponto de partida para pesquisas mais amplas.
Fonte da imagem: Flatiron Institute
Um relatório sobre o trabalho foi publicado na última edição do The Astrophysical Journal. Esta é a simulação em supercomputador mais detalhada até o momento dos processos de acreção em torno de buracos negros de massa estelar (comparáveis ao Sol). O estudo foi liderado pelo astrofísico Lizhong Zhang, do Flatiron Institute. A equipe utilizou dois supercomputadores de alta potência para modelar a dinâmica dos buracos negros sem simplificações prévias, levando em conta, pela primeira vez com precisão, todos os processos físicos essenciais: rotação do buraco negro, campos magnéticos intensos, relatividade geral (o movimento de fótons no espaço-tempo curvo) e a interação da radiação com o plasma e o gás.
As simulações mostraram que um disco de gás espesso se forma ao redor de um buraco negro de rotação rápida com um bom apetite — um buraco negro com alta taxa de acreção — que se torna mais denso em direção ao centro. Assim como na vida real, os buracos negros de Schwarzschild, com seus graciosos e finos discos de acreção, revelaram-se verdadeiramente magníficos, como demonstra a imagem acima. Poderosos campos magnéticos organizam os fluxos de gás, criando ventos de partículas e jatos direcionados (fluxos de plasma) ejetados para fora. Uma estrutura estreita em forma de funil se forma acima dos polos do buraco negro, atraindo rapidamente a matéria em direção ao horizonte de eventos e gerando um intenso feixe de radiação visível apenas em certos ângulos.
O modelo reconstruído explica como os buracos negros liberam enormes quantidades de energia através de ventos e jatos, em vez de simplesmente absorverem radiação em seus discos. Os resultados dos cálculos concordam bem com as observações reais de diversos buracos negros. Segundo os cientistas, esta é a primeira simulação que contabiliza com precisão a radiação de buracos negros dentro da estrutura da relatividade geral, abrindo novas possibilidades para a compreensão das condições extremas próximas a esses objetos.
Em trabalhos futuros, os cientistas tentarão comparar os resultados de suas simulações de buracos negros de massa estelar com observações de buracos negros supermassivos. É possível que muitos dos resultados modelados sejam confirmados em objetos com massas ainda maiores. Os cientistas também esperam que os modelos ajudem a explicar os recentemente descobertos “pequenos pontos vermelhos” — buracos negros supermassivos com dinâmicas incomuns em seus discos de acreção — no alvorecer do Universo.