Astrofísicos do MIPT desenvolveram um modelo para testar uma hipótese sobre buracos negros supermassivos no centro das galáxias. O novo modelo permite aos cientistas prever quanta energia rotacional um buraco negro perde quando emite feixes de matéria ionizada conhecidos como jatos astrofísicos. A perda de energia é estimada com base em medições do campo magnético de um jato. O artigo foi publicado na revista Fronteiras em Astronomia e Ciências Espaciais .

Os astrofísicos observaram centenas de jatos relativísticos - enormes fluxos de matéria emitidos por núcleos galácticos ativos que abrigam buracos negros supermassivos. A matéria em um jato é acelerada quase até a velocidade da luz, daí o termo "relativístico". Jatos são colossais, mesmo para os padrões astronômicos - seu comprimento pode ser de até vários por cento do raio da galáxia hospedeira, ou cerca de 300, 000 vezes maior que o buraco negro associado.

Dito isto, ainda há muito que os pesquisadores não sabem sobre jatos. Os astrofísicos nem mesmo têm certeza do que são feitos, porque as observações do jato não produzem linhas espectrais. O consenso atual afirma que os jatos são provavelmente feitos de elétrons e pósitrons ou prótons, mas eles permanecem um mistério. Conforme os pesquisadores obtêm novos dados, um modelo mais abrangente e autoconsistente desse fenômeno está surgindo gradualmente.

A matéria orbitando e caindo em um buraco negro é chamada de disco de acreção. Ele desempenha um papel crucial na formação do jato. Um buraco negro, junto com seu disco de acreção e jatos (fig. 1), são considerados a "máquina" mais eficaz para converter energia. Se definirmos a eficiência de tal sistema como a razão entre a energia transportada pelos jatos e a energia da matéria agregada, pode até exceder 100 por cento.

No entanto, um exame mais atento do sistema revela que a segunda lei da termodinâmica ainda é válida. Esta não é uma máquina de movimento perpétuo. Acontece que parte da energia do jato vem da rotação do buraco negro. Isso é, ao alimentar um jato, um buraco negro gira progressivamente mais lento.

De certa forma, esse movimento aparentemente perpétuo é mais parecido com uma bicicleta elétrica. Há uma aparente incompatibilidade entre a energia de entrada da matéria de acréscimo - trabalho muscular, no caso do motociclista - e a energia de saída do jato, ou o movimento da bicicleta. Em ambos os casos, no entanto, há uma fonte adicional de energia oculta - a saber, a bateria que alimenta o motor elétrico da bicicleta e a rotação do buraco negro.

Por acréscimo, um buraco negro ganha momento angular, isto é, ele começa a girar mais rápido. Os jatos carregam parte desse excesso de momento angular no que é conhecido como extração de energia rotacional. Efeitos semelhantes são observados em estrelas jovens. Durante a formação de uma estrela, captura a matéria do disco de acreção, que tem um enorme momento angular. Contudo, observações mostram que essas estrelas giram muito lentamente. Todos os momentos angulares ausentes são usados ​​para alimentar os jatos estreitos emitidos por essas estrelas.

Cientistas desenvolveram recentemente um novo método para medir os campos magnéticos nos jatos emitidos pelos núcleos galácticos ativos. Em seu papel, a astrofísica Elena Nokhrina mostrou que este método pode ser usado para estimar a contribuição da rotação do buraco negro para a potência do jato. Até agora, a fórmula para canalizar a energia rotacional para a energia do jato não foi testada empiricamente. Infelizmente, nenhuma observação confiável até agora capturou a taxa de rotação do buraco negro, o que é importante para estimar a perda de energia rotacional.

Um buraco negro não possui um campo magnético próprio. Contudo, um campo magnético vertical é gerado em torno dele pela matéria ionizada no disco de acreção. Para estimar a perda de energia rotacional por um buraco negro, os cientistas precisam encontrar o fluxo magnético através da fronteira em torno de um buraco negro conhecido como horizonte de eventos.

"Porque o fluxo magnético é conservado, medindo sua magnitude no jato, também aprendemos o fluxo magnético perto do buraco negro. Conhecendo a massa do buraco negro, podemos calcular a distância de seu eixo de rotação ao horizonte de eventos - seu limite nocional. Isso nos permite estimar a diferença de potencial elétrico entre o eixo de rotação e o limite do buraco negro. Ao contabilizar a triagem de campo elétrico no plasma, é possível encontrar a corrente elétrica perto do buraco negro. Conhecendo a corrente e a diferença de potenciais, podemos estimar a quantidade de energia perdida pelo buraco negro devido à desaceleração de sua rotação, "diz Elena Nokhrina, o autor do artigo e vice-chefe do laboratório de astrofísica relativística do MIPT.

The calculations point toward a correlation between the total power of a jet emitted by a black hole and the loss of rotational energy by the black hole. Notavelmente, this study makes use of a recent model of jet structure (fig. 2). Before this model was advanced, researchers assumed jets to have homogeneous transverse structure, which is a simplification. No novo modelo, the magnetic field of a jet is not homogeneous, enabling more accurate predictions.

Most of the galaxies hosting jets are too remote for the transverse structure of their magnetic fields to be discerned. So the experimentally measured magnetic field is compared with its model transverse structure to estimate the magnitude of the field's components. Only by taking transverse structure into account is it possible to test the mechanism of black hole rotation powering jets. Otherwise, it would be necessary to know the rotation rate.

The hypothesis that was put to the test in the study states that jet power depends on the magnetic flux and the rotation rate of the black hole. This makes it possible to gauge to what extent a jet is powered by rotational energy. Notavelmente, this theoretical work enables us to estimate how much rotational energy is lost by a black hole without knowing its rotation rate—using only the magnetic field measurements of the jet.