O Telescópio do Horizonte de Eventos (EHT) ganhou notoriedade mundial em 2019 ao divulgar a primeira imagem já obtida de um buraco negro. O feito só foi possível graças à Interferometria de Base Muito Longa (VLBI), uma técnica em que diversos instrumentos captam luz em conjunto para compor, de forma integrada, a aparência de um alvo.
Nesse caso, o registro mostrava o buraco negro supermassivo (SMBH) no centro de Messier 87, uma galáxia gigantesca a 55 milhões de anos-luz da Terra. Depois disso, vieram imagens dos jatos relativísticos emitidos por duas galáxias brilhantes e também de Sagitário A*, o SMBH localizado no núcleo da Via Láctea.
Ao mesmo tempo, cientistas da Colaboração EHT vêm recorrendo a simulações em supercomputadores para refinar o entendimento do ambiente além do limite externo dos buracos negros (isto é, o horizonte de eventos).
Do EHT à “sombra” do buraco negro em M87
Entre esses pesquisadores está a equipa liderada por Andrew Chael, pesquisador associado em Princeton University e fellow da Princeton Gravity Initiative. Ele e o seu grupo realizaram simulações do SMBH de M87 com os supercomputadores Stampede2 e Stampede3, no Texas Advanced Computing Center (TACC).
A imagem resultante (acima) ilustra como a luz produzida por elétrons quentes gira em espiral logo além da “sombra” do buraco negro.
Simulações GRMHD com Stampede2/Stampede3 no TACC
O grupo de Chael é um entre vários que usam simulações avançadas para representar a dinâmica das sombras de buracos negros, incluindo plasma de alta energia, campos magnéticos e gravidade intensa. Esses elementos interagem num sistema complexo que permite aos buracos negros acumular matéria em queda à sua volta, emitir quantidades imensas de radiação e gerar jatos relativísticos que podem se estender por milhões de anos-luz.
As simulações reuniram 11 simulações magneto-hidrodinâmicas relativísticas gerais (GRMHD), que adotam uma abordagem de dinâmica de fluidos para simular plasma interagindo com a gravidade e com linhas de campo magnético.
"Desde que fizemos aquela primeira imagem de um buraco negro, houve muito trabalho tentando entender o ambiente bem ao redor do buraco negro", disse Chael num comunicado do TACC.
"Queremos compreender a natureza das partículas desse plasma que o buraco negro está ‘comendo’ e os detalhes dos campos magnéticos misturados ao plasma que, em M87, lança jatos enormes e luminosos de partículas subatômicas."
Desde a pós-graduação, Chael vem fazendo simulações com a Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) e com recursos oferecidos pelo programa Advanced Cyberinfrastructure Coordination Ecosystem: Services & Support (ACCESS) do TACC. Graças a avanços recentes que ele e a equipa obtiveram usando o próprio código, a simulação passa a ir além dos modelos tradicionais que tratam prótons e elétrons eletricamente carregados como uma única entidade.
"Este artigo é uma primeira tentativa [de] usar uma técnica mais avançada", acrescentou Chael, "mais cara computacionalmente, para modelar diretamente essas espécies separadas de partículas, elétrons e prótons, para tentar entender como elas interagem e, em particular, qual é a temperatura relativa das duas."
O que as simulações indicam sobre elétrons, prótons e o anel de fótons
As simulações indicaram que a temperatura dos elétrons ao redor de M87 é muito mais alta do que se pensava antes - ficando, ainda assim, cerca de 100 vezes mais frios do que os prótons. Isso é relevante porque as diferenças de temperatura entre essas partículas e os prótons influenciam o brilho e outras características vistas na imagem.
Por isso, os resultados expõem uma tensão fundamental entre os modelos atuais da física de plasma e as observações fornecidas pelo EHT. A seguir, Chael e a sua equipa pretendem aplicar o código de simulação a mais dados do EHT de M87 para produzir um filme que acompanhe a evolução do sistema ao longo do tempo.
Um estudo conduzido por Chael e a equipa em janeiro comparou a imagem do buraco negro de M87 obtida pelo EHT com uma ampla gama de simulações, usando os supercomputadores Stampede2 e Jetstream. Esses testes mostraram que, embora o tamanho e a estrutura da “sombra” do SMBH permaneçam consistentes, ela está sujeita a mudanças.
Eles também observaram que o ponto mais brilhante no anel de fótons se desloca com o tempo por causa dos processos caóticos associados a fluxos dinâmicos de plasma perto do horizonte de eventos. À medida que diferentes regiões do plasma aquecem e arrefecem, a aparência do buraco negro sofre variações sutis ao longo do tempo.
"Buracos negros são ambientes extremamente complicados. As melhores ferramentas disponíveis que temos são as simulações em supercomputadores. É incrível que tenhamos conseguido construir esses computadores e códigos que nos permitem criar modelos precisos do que está acontecendo numa relação tão estranha e complicada", disse Chael.
"As simulações nos dão confiança de que estamos levando em conta todos esses efeitos, que interagem de formas complexas e, às vezes, imprevisíveis."
Este artigo foi publicado originalmente pela Universe Today. Leia o artigo original.
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