Uma equipe internacional construiu o mais detalhado, simulação de maior resolução de um buraco negro até o momento. A simulação prova previsões teóricas sobre a natureza dos discos de acreção - a matéria que orbita e eventualmente cai em um buraco negro - que nunca foram vistas antes.

A pesquisa será publicada no dia 5 de junho no Avisos mensais da Royal Astronomical Society .

Entre as descobertas, a equipe de astrofísicos computacionais da Northwestern University, a Universidade de Amsterdã e a Universidade de Oxford descobriram que a região mais interna de um disco de acreção se alinha com o equador de seu buraco negro.

Esta descoberta resolve um antigo mistério, originalmente apresentado pelo físico ganhador do Prêmio Nobel John Bardeen e pelo astrofísico Jacobus Petterson em 1975. Na época, Bardeen e Petterson argumentaram que um buraco negro girando faria com que a região interna de um disco de acreção inclinado se alinhasse com o plano equatorial de seu buraco negro.

Depois de décadas, corrida global para encontrar o chamado efeito Bardeen-Petterson, a simulação da equipe descobriu que, enquanto a região externa de um disco de acreção permanece inclinada, a região interna do disco se alinha com o buraco negro. Uma urdidura suave conecta as regiões interna e externa. A equipe resolveu o mistério afinando o disco de acreção a um grau sem precedentes e incluindo a turbulência magnetizada que faz com que o disco se agregue. Simulações anteriores fizeram uma simplificação substancial meramente aproximando os efeitos da turbulência.

"Esta descoberta inovadora do alinhamento Bardeen-Petterson fecha um problema que tem assombrado a comunidade astrofísica por mais de quatro décadas, "disse Alexander Tchekhovskoy da Northwestern, que co-liderou a pesquisa. "Esses detalhes em torno do buraco negro podem parecer pequenos, mas eles impactam enormemente o que acontece na galáxia como um todo. Eles controlam a velocidade com que os buracos negros giram e, como resultado, que efeito os buracos negros têm em suas galáxias inteiras. "

Tchekhovskoy é professor assistente de física e astronomia no Weinberg College of Arts and Sciences da Northwestern e membro do CIERA (Centro de Exploração e Pesquisa Interdisciplinar em Astrofísica), um centro de pesquisa dotado em Northwestern focado no avanço dos estudos de astrofísica com ênfase em conexões interdisciplinares. Matthew Liska, um pesquisador do Instituto Anton Pannenkoek de Astronomia da Universidade de Amsterdã, é o primeiro autor do artigo.

"Essas simulações não resolvem apenas um problema de 40 anos, mas eles demonstraram que, ao contrário do pensamento típico, é possível simular os discos de acreção mais luminosos em plena relatividade geral, "Liska disse." Isso abre caminho para uma próxima geração de simulações, que espero que resolva problemas ainda mais importantes em torno dos discos de acreção luminosa. "

Alinhamento evasivo

Quase tudo o que os pesquisadores sabem sobre os buracos negros foi aprendido estudando os discos de acreção. Sem o anel de gás intensamente brilhante, poeira e outros detritos estelares que giram em torno dos buracos negros, os astrônomos não seriam capazes de localizar um buraco negro para estudá-lo. Os discos de acreção também controlam o crescimento de um buraco negro e a velocidade de rotação, portanto, compreender a natureza dos discos de acréscimo é a chave para entender como os buracos negros evoluem e funcionam.

"O alinhamento afeta a forma como os discos de acreção atuam em seus buracos negros, "Tchekhovskoy disse." Portanto, isso afeta como a rotação de um buraco negro evolui ao longo do tempo e lança fluxos de saída que impactam a evolução de suas galáxias hospedeiras.

De Bardeen e Petterson até os dias atuais, as simulações foram simplificadas demais para encontrar o alinhamento estratificado. Duas questões principais atuaram como uma barreira para os astrofísicos computacionais. Para um, discos de acreção chegam tão perto do buraco negro que se movem através do espaço-tempo deformado, que corre para o buraco negro a uma velocidade imensa. Para complicar ainda mais, a rotação do buraco negro força o espaço-tempo a girar em torno dele. Levar em conta adequadamente esses dois efeitos cruciais requer relatividade geral, A teoria de Albert Einstein que prevê como os objetos afetam a geometria do espaço-tempo ao seu redor.

Segundo, astrofísicos não tiveram capacidade de computação para contabilizar a turbulência magnética, ou a agitação dentro do disco de acreção. Essa agitação é o que faz com que as partículas do disco se mantenham juntas em uma forma circular e o que faz com que o gás eventualmente caia no buraco negro.

"Imagine que você tem este disco fino. Então, além disso, você tem que resolver os movimentos turbulentos dentro do disco, "Tchekhovskoy disse." Torna-se um problema realmente difícil.

Sem ser capaz de resolver esses recursos, cientistas computacionais não foram capazes de simular buracos negros realistas.

Decifrando o código

Para desenvolver um código capaz de realizar simulações de discos de acreção intitulados em torno de buracos negros, Liska e Tchekhovskoy usaram unidades de processamento gráfico (GPUs) em vez de unidades de processamento central (CPUs). Extremamente eficiente na manipulação de computação gráfica e processamento de imagens, GPUs aceleram a criação de imagens em um display. Eles são muito mais eficientes do que CPUs para algoritmos de computação que processam grandes faixas de dados.

Tchekhovskoy compara GPUs a 1, 000 cavalos e CPUs para 1, Ferrari de 000 cavalos.

"Digamos que você precise se mudar para um novo apartamento, "ele explicou." Você terá que fazer muitas viagens com esta Ferrari poderosa porque ela não caberá em muitas caixas. Mas se você pudesse colocar uma caixa em cada cavalo, você pode mover tudo de uma vez. Essa é a GPU. Tem muitos elementos, cada um dos quais é mais lento do que aqueles na CPU, mas há muitos deles. "

Liska também adicionou um método chamado refinamento de malha adaptativa, que usa uma malha dinâmica, ou grade, que muda e se adapta ao fluxo de movimento ao longo da simulação. Ele economiza energia e potência do computador, concentrando-se apenas em blocos específicos na grade onde ocorre o movimento.

As GPUs aceleraram substancialmente a simulação, e a malha adaptativa aumentou a resolução. Essas melhorias permitiram à equipe simular o disco de acreção mais fino até o momento, com uma relação altura-raio de 0,03. Quando o disco foi simulado tão fino, os pesquisadores puderam ver o alinhamento ocorrer bem próximo ao buraco negro.

"Os discos mais finos simulados antes tinham uma relação altura / raio de 0,05, e acontece que todas as coisas interessantes acontecem a 0,03, "Tchekhovskoy disse.

Em uma descoberta surpreendente, mesmo com esses discos de acreção incrivelmente finos, o buraco negro ainda emitia poderosos jatos de partículas e radiação.

"Ninguém esperava que jatos fossem produzidos por esses discos em espessuras tão pequenas, "Tchekhovskoy disse." As pessoas esperavam que os campos magnéticos que produzem esses jatos rasgassem esses discos realmente finos. Mas aí estão eles. E isso realmente nos ajuda a resolver mistérios de observação. "