Cientistas da Princeton University e do Departamento de Energia dos EUA (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) desenvolveram um novo método rigoroso para modelar o disco de acreção que alimenta o buraco negro supermassivo no centro de nossa galáxia, a Via Láctea. O papel, publicado online em dezembro na revista Cartas de revisão física , fornece uma base muito necessária para a simulação dos processos extraordinários envolvidos.

Os discos de acreção são nuvens de plasma que orbitam e gradualmente giram em corpos massivos, como buracos negros - campos gravitacionais intensos produzidos por estrelas que colapsam para uma pequena fração de seu tamanho original. Essas estrelas colapsadas são delimitadas por um "horizonte de eventos, "do qual nem mesmo a luz pode escapar. À medida que os discos de acreção fluem em direção aos horizontes de eventos, eles fornecem energia para algumas das fontes mais brilhantes e energéticas de radiação eletromagnética do universo.

Quatro milhões de vezes a massa do sol

O colossal buraco negro no centro da Via Láctea - chamado de "Sagitário A *" porque é encontrado na constelação de Sagitário - tem uma massa gravitacional quatro milhões de vezes maior que o nosso próprio sol. No entanto, o plasma do disco de acreção que espirala nesta massa é "radiativamente ineficiente, "o que significa que emite muito menos radiação do que seria de esperar.

"Então a questão é, por que este disco está tão quiescente? "pergunta Matthew Kunz, autor principal do artigo, professor assistente de ciências astrofísicas na Universidade de Princeton e físico no PPPL. Os co-autores incluem James Stone, Professor de ciências astrofísicas de Princeton, e Eliot Quataert, diretor de astrofísica teórica da Universidade da Califórnia, Berkeley.

Para desenvolver um método para encontrar a resposta, os pesquisadores consideraram a natureza do disco de acreção superquente de Sagitário A *. Seu plasma é tão quente e diluído que não há colisão, o que significa que as trajetórias de prótons e elétrons dentro do plasma raramente se cruzam.

Essa falta de colisionalidade distingue o disco de acreção Sagittarius A * dos discos mais brilhantes e radiativos que orbitam outros buracos negros. Os discos mais brilhantes são colisionais e podem ser modelados por fórmulas que datam da década de 1990, que tratam o plasma como um fluido eletricamente condutor. Mas "esses modelos são inadequados para acréscimo em nosso buraco negro supermassivo, "Kunz disse, uma vez que eles não podem descrever o processo que faz com que o disco A * de Sagitário, sem colisão, se torne instável e desça em espiral.

Rastreando partículas sem colisão

Para modelar o processo para o disco A * de Sagitário, o artigo substitui as fórmulas que tratam o movimento de plasmas colisionais como um fluido macroscópico. Em vez de, os autores usam um método que os físicos chamam de "cinético" para traçar sistematicamente os caminhos de partículas individuais sem colisão. Esta abordagem complexa, conduzido usando o código de computador Pegasus desenvolvido em Princeton por Kunz, Stone e Xuening Bai, agora professor da Universidade de Harvard, produziu um conjunto de equações mais capazes de modelar o comportamento do disco que orbita o buraco negro supermassivo.

Essa abordagem cinética pode ajudar os astrofísicos a entender o que faz com que a região do disco de acreção ao redor do buraco A * de Sagitário irradie tão pouca luz. Os resultados também podem melhorar a compreensão de outras questões importantes, por exemplo, como os plasmas magnetizados se comportam em ambientes extremos e como os campos magnéticos podem ser amplificados.

O objetivo do novo método, disse Kunz, "será produzir modelos mais preditivos da emissão da acumulação de buracos negros no centro da galáxia para comparação com observações astrofísicas." Essas observações vêm de instrumentos como o observatório de raios-X Chandra, um satélite em órbita terrestre que a NASA lançou em 1999, e o próximo Event Horizon Telescope, uma série de nove radiotelescópios baseados na Terra localizados em países ao redor do mundo.