Os buracos negros são conhecidos por seus apetites vorazes, devorando a matéria com tal ferocidade que nem mesmo a luz pode escapar, uma vez que é engolida.

Menos compreendido, no entanto, é como os buracos negros purgam a energia presa em sua rotação, jorrando plasmas próximos à velocidade da luz no espaço para lados opostos em uma das telas mais poderosas do universo. Esses jatos podem se estender por milhões de anos-luz.

Novas simulações lideradas por pesquisadores que trabalham no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) e na UC Berkeley combinaram teorias de décadas para fornecer uma nova visão sobre os mecanismos de direção dos jatos de plasma que lhes permitem roubar energia dos buracos negros. poderosos campos gravitacionais e os impulsionam para longe de suas bocas escancaradas.

As simulações podem fornecer uma comparação útil para observações de alta resolução do Event Horizon Telescope, uma matriz que é projetada para fornecer as primeiras imagens diretas das regiões onde os jatos de plasma se formam.

O telescópio permitirá novas vistas do buraco negro no centro de nossa própria galáxia, a Via Láctea, bem como vistas detalhadas de outros buracos negros supermassivos.

"Como a energia na rotação de um buraco negro pode ser extraída para fazer jatos?" disse Kyle Parfrey, que liderou o trabalho nas simulações enquanto ele era um Einstein Postdoctoral Fellow afiliado à Divisão de Ciência Nuclear do Laboratório de Berkeley. "Esta tem sido uma questão há muito tempo."

Agora um membro sênior do Goddard Space Flight Center da NASA em Maryland, Parfrey é o principal autor de um estudo, publicado em 23 de janeiro em Cartas de revisão física , que detalha a pesquisa de simulações.

As simulações, pela primeira vez, reúna uma teoria que explica como as correntes elétricas em torno de um buraco negro torcem os campos magnéticos para formar jatos, com uma teoria separada explicando como as partículas que cruzam o ponto sem retorno de um buraco negro - o horizonte de eventos - podem parecer a um observador distante transportar energia negativa e reduzir a energia rotacional geral do buraco negro.

É como comer um lanche que faz com que você perca calorias em vez de ganhá-las. O buraco negro, na verdade, perde massa como resultado de engolir essas partículas de "energia negativa".

As simulações de computador têm dificuldade em modelar toda a física complexa envolvida no lançamento de jato de plasma, que deve ser responsável pela criação de pares de elétrons e pósitrons, o mecanismo de aceleração de partículas, e a emissão de luz nos jatos.

O Berkeley Lab tem contribuído amplamente para as simulações de plasma ao longo de sua longa história. O plasma é uma mistura gasosa de partículas carregadas que é o estado da matéria mais comum do universo.

Parfrey disse que percebeu que simulações mais complexas para descrever melhor os jatos exigiriam uma combinação de experiência em física de plasma e teoria da relatividade geral.

"Achei que seria um bom momento para tentar juntar essas duas coisas, " ele disse.

Executado em um centro de supercomputação no Centro de Pesquisa Ames da NASA em Mountain View, Califórnia, as simulações incorporam novas técnicas numéricas que fornecem o primeiro modelo de um plasma sem colisão - no qual as colisões entre partículas carregadas não desempenham um papel importante - na presença de um forte campo gravitacional associado a um buraco negro.

As simulações produzem naturalmente efeitos conhecidos como mecanismo de Blandford-Znajek, que descreve os campos magnéticos de torção que formam os jatos, e um processo Penrose separado que descreve o que acontece quando partículas de energia negativa são engolidas pelo buraco negro.

O processo Penrose, "embora não necessariamente contribua muito para extrair a energia de rotação do buraco negro, "Parfrey disse, "possivelmente está diretamente ligado às correntes elétricas que torcem os campos magnéticos dos jatos."

Embora mais detalhado do que alguns modelos anteriores, Parfrey observou que as simulações de sua equipe ainda estão tentando recuperar o atraso com as observações, e são idealizados de algumas maneiras para simplificar os cálculos necessários para realizar as simulações.

A equipe pretende modelar melhor o processo pelo qual os pares elétron-pósitron são criados nos jatos, a fim de estudar a distribuição de plasma dos jatos e sua emissão de radiação de forma mais realista para comparação com as observações. Eles também planejam ampliar o escopo das simulações para incluir o fluxo de matéria em queda ao redor do horizonte de eventos do buraco negro, conhecido como seu fluxo de acreção.

"Esperamos fornecer uma imagem mais consistente de todo o problema, " ele disse.