Modelando o jato M87:Por que os jatos dos buracos negros brilham e perfuram o céu cósmico?
Comparação de imagens previstas por modelos e observações. (A a C) Imagens em 86 GHz. (D a F) Imagens em 43 GHz. Os painéis esquerdo, médio e direito são as imagens previstas por (A e D) o modelo somente térmico, (B e E) o modelo fiducial de densidade de corrente e (C e F) as imagens observadas, respectivamente. Crédito:Avanços da Ciência (2024). DOI:10.1126/sciadv.adn3544 Uma equipe internacional liderada pelo Dr. Yuan Feng do Observatório Astronômico de Xangai da Academia Chinesa de Ciências investigou a validade dos dois principais modelos de jatos de buracos negros calculando a radiação prevista por esses modelos e comparando-a com observações do jato M87, e descobriu que o modelo de “extração de energia rotacional do buraco negro” previu com precisão os jatos observados, enquanto o modelo de “extração de energia rotacional do disco de acreção” teve dificuldade para explicar os resultados observacionais.
Os elétrons radiantes são acelerados pela reconexão magnética nos jatos dos buracos negros, o que provavelmente é impulsionado por “erupções magnéticas” no disco de acreção. O estudo foi publicado em Avanços da Ciência .
Os buracos negros são corpos celestes extraordinariamente peculiares no universo, possuindo uma força gravitacional imensamente poderosa da qual nem mesmo a luz consegue escapar dentro de seu raio, conhecido como horizonte de eventos.
No entanto, há mais de um século, observações revelaram que mesmo para além do horizonte de eventos do buraco negro, a uma distância muito próxima, o buraco negro poderia emitir poderosos fluxos de matéria e energia a velocidades próximas da velocidade da luz – conhecidos como jatos. Imagens capturadas por telescópios mostram esses jatos disparando diretamente para fora, como um feixe de laser, estendendo-se por vastas distâncias, com o comprimento de alguns jatos ultrapassando até mesmo a escala das galáxias.
A forma como estes jactos enigmáticos se formam tem sido uma questão estudada há mais de um século por muitos estudiosos, incluindo o prémio Nobel Sir Roger Penrose. Atualmente, existem principalmente dois modelos neste campo de pesquisa. Um envolve a extração da energia rotacional do buraco negro a partir de campos magnéticos de grande escala, conhecido como modelo de “extração de energia rotacional do buraco negro”. O outro também depende de campos magnéticos de grande escala, mas ao contrário do primeiro, envolve a extração da energia rotacional do disco de acreção, denominado modelo de “extração de energia rotacional do disco de acreção”.
Os astrônomos estão tentando abordar apenas a fonte de energia dos jatos. Os jatos produzidos por esses dois modelos podem corresponder aos resultados observacionais relativos à morfologia, largura, campo de velocidade e polarização dos jatos? Qual dos dois modelos para o mecanismo de formação destes jatos está correto? A equipe liderada pelo Dr. Yuan Feng respondeu a essas duas perguntas.
A equipe usou os jatos do buraco negro supermassivo no centro da galáxia M87 como caso. Este buraco negro supermassivo é conhecido como a “estrela” da primeira imagem de um buraco negro capturada pelo Event Horizon Telescope (EHT). A equipe empregou métodos de simulação numérica em grande escala para resolver as equações da magnetohidrodinâmica relativística geral e obteve o fluxo de acreção em torno do buraco negro e os jatos produzidos pelos dois modelos mencionados acima.
Para calcular a radiação dos jatos e compará-la com as observações, o espectro de energia e a distribuição espacial dos elétrons radiantes são cruciais. A equipe levantou a hipótese de que a aceleração dos elétrons ocorreu através do mecanismo de “reconexão magnética” nos jatos. Ele considerou os mecanismos físicos de reconexão magnética acelerando elétrons e combinou os resultados de estudos de aceleração de partículas usando a teoria cinética para resolver uma equação de distribuição de energia de elétrons em estado estacionário. Obteve os espectros de energia e densidades numéricas de elétrons em diferentes regiões dos jatos.
Combinando estes resultados com os resultados de simulações numéricas de acreção, incluindo intensidade do campo magnético, temperatura e velocidade do plasma do gás, a equipe obteve vários resultados observacionais previstos calculando a transferência de radiação no âmbito da relatividade geral, que poderiam ser comparados com observações reais.
Os resultados mostraram que a morfologia dos jatos prevista pelo modelo de "extração de energia rotacional do buraco negro" correspondia muito bem à morfologia observada dos jatos, e outras previsões deste modelo, como "brilho dos membros" dos jatos, largura do jato , comprimento e campo de velocidade também combinaram muito bem com as observações. Em contraste, as previsões do modelo de “extração de energia rotacional do disco de acreção” eram inconsistentes com as observações.
Além disso, a equipe analisou o mecanismo físico da reconexão magnética e descobriu que o mecanismo se deve a “erupções magnéticas” geradas pelos campos magnéticos no disco de acreção do buraco negro M87. Essas erupções podem causar fortes perturbações no campo magnético, que podem se propagar por longas distâncias, levando à reconexão magnética nos jatos.
Este trabalho preenche a lacuna entre o modelo dinâmico de formação de jatos e várias propriedades observacionais dos jatos, fornecendo a primeira evidência de que este modelo dinâmico bem conhecido aborda as questões energéticas dos jatos e explica outros vários resultados observacionais.
