Os astrônomos continuam a desenvolver simulações de computador para ajudar futuros observatórios a se localizar melhor em buracos negros, os habitantes mais evasivos do universo.

Embora buracos negros provavelmente existam em abundância no universo, eles são notoriamente difíceis de ver. Os cientistas não capturaram a primeira imagem de rádio de um buraco negro até 2019, e apenas cerca de quatro dúzias de fusões de buracos negros foram detectadas por meio de suas ondulações gravitacionais características desde a primeira detecção em 2015.

Não são muitos dados para trabalhar. Portanto, os cientistas procuram simulações de buracos negros para obter uma visão crucial que ajudará a encontrar mais fusões com missões futuras. Algumas dessas simulações, criado por cientistas como o astrofísico Scott Noble, rastrear sistemas binários de buracos negros supermassivos. É aí que dois buracos negros monstruosos como os encontrados no centro das galáxias orbitam próximos um do outro até que finalmente se fundam.

As simulações, criado por computadores trabalhando por meio de conjuntos de equações complicadas demais para serem resolvidas à mão, ilustrar como a matéria interage em ambientes de fusão. Os cientistas podem usar o que aprenderam sobre fusões de buracos negros para identificar algumas características reveladoras que os permitem distinguir fusões de buracos negros de eventos estelares. Os astrônomos podem então procurar por esses sinais reveladores e detectar as fusões de buracos negros na vida real.

Nobre, que trabalha no Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Maryland, disse que esses sistemas binários emitem ondas gravitacionais e influenciam os gases circundantes, levando a espetáculos de luz únicos detectáveis ​​com telescópios convencionais. Isso permite que os cientistas aprendam sobre diferentes aspectos do mesmo sistema. As observações de multimensageiros que combinam diferentes formas de luz ou ondas gravitacionais podem permitir aos cientistas refinar seus modelos de sistemas binários de buracos negros.

"Temos contado com a luz para ver tudo lá fora, "Noble disse." Mas nem tudo emite luz, portanto, a única maneira de "ver" diretamente dois buracos negros é por meio das ondas gravitacionais que eles geram. As ondas gravitacionais e a luz do gás circundante são formas independentes de aprender sobre o sistema, e a esperança é que eles se encontrem no mesmo ponto. "

Simulações binárias de buracos negros também podem ajudar na missão da Antena Espacial do Interferômetro Laser (LISA). Este observatório de ondas gravitacionais baseado no espaço, liderado pela Agência Espacial Europeia com contribuições significativas da NASA, está previsto para ser lançado em 2034. Se as simulações determinarem quais características eletromagnéticas distinguem um sistema de buraco negro binário de outros eventos, os cientistas podem detectar esses sistemas antes que o LISA voe, Noble disse. Essas observações podem ser confirmadas por meio de detecções adicionais assim que o LISA for iniciado.

Isso permitiria aos cientistas verificar se o LISA está funcionando, observar os sistemas por um período mais longo antes de eles se fundirem, prever o que vai acontecer, e testar essas previsões.

"Nunca fomos capazes de fazer isso antes, "Noble disse." Isso é realmente emocionante. "

As simulações contam com um código que descreve como a densidade e a pressão do plasma mudam em regiões de forte gravidade perto de um único buraco negro ou estrela de nêutrons, Noble disse. Ele modificou o código para permitir a evolução de dois buracos negros.

A Noble está trabalhando com Goddard e parceiros universitários, incluindo Bernard Kelly da Universidade de Maryland, Manuela Campanelli liderando uma equipe de pesquisadores do Rochester Institute of Technology, e Julian Krolik liderando uma equipe de pesquisa da Universidade Johns Hopkins.

Kelly cria simulações usando uma abordagem especial chamada simulação de punção móvel.

Essas simulações permitem que os cientistas evitem representar uma singularidade dentro do horizonte de eventos - a parte do buraco negro da qual nada pode escapar, Kelly disse. Tudo fora desse horizonte de eventos evolui, enquanto os objetos internos permanecem congelados desde o início da simulação. Isso permite aos cientistas ignorar o fato de que eles não sabem o que acontece dentro de um horizonte de eventos.

Para imitar situações da vida real, onde os buracos negros acumulam discos de acreção de gás, pó, e matéria difusa, os cientistas precisam incorporar código adicional para rastrear como o material ionizado interage com os campos magnéticos.

"Estamos tentando unir de forma contínua e correta diferentes códigos e métodos de simulação para produzir uma imagem coerente, "Kelly disse.

Em 2018, a equipe publicou uma análise de uma nova simulação em The Astrophysical Journal que incorporou totalmente os efeitos físicos da teoria geral da relatividade de Einstein para mostrar os efeitos de uma fusão no ambiente ao seu redor. A simulação estabeleceu que o gás em sistemas binários de buracos negros brilhará predominantemente em luz ultravioleta e raios-X.

As simulações também mostraram que os discos de acreção nesses sistemas não são completamente lisos. Um aglomerado denso se forma orbitando o binário, e cada vez que um buraco negro se aproxima, retira matéria do aglomerado. Essa colisão esquenta o assunto, produzindo um sinal brilhante e criando uma flutuação de luz observável.

Além de melhorar sua confiança na precisão das simulações, Goddard astrophysicist Jeremy Schnittman said they also need to be able to apply the same simulation code to a single black hole or a binary and show the similarities and also the differences between the two systems.

"The simulation are going to tell us what the systems should look like, " Schnittman said. "LISA works more like a radio antenna as opposed to an optical telescope. We're going to hear something in the universe and get its basic direction, but nothing very precise. What we have to do is take other telescopes and look in that part of the sky, and the simulations are going to tell us what to look for to find a merging black hole."

Kelly said LISA will be more sensitive to lower gravitational wave frequencies than the current ground-based gravitational wave observer, the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). That means LISA will be able to sense smaller-mass binary systems much earlier and will likely detect merging systems in time to alert electromagnetic telescopes.

For Schnittman, these simulations are key to understanding the real-life data LISA and other spacecraft collect. The case for models may be even stronger for binary black holes, Schnittman said, because the scientific community has little data.

"We probably will never find a binary black hole with a telescope until we simulate them to the point we know exactly what we're looking for, because they're so far away, they're so tiny, you're going to see just one speck of light, " Schnittman said. "We need to be able to look for that smoking gun."