No centro da galáxia, milhões de estrelas giram em órbitas em torno de um buraco negro supermassivo. Esse circuito pode levar de algumas horas para estrelas próximas ao horizonte de eventos do buraco negro a milhares de anos para seus vizinhos distantes. A natureza da dança - como as estrelas interagem coletivamente por meio de suas forças gravitacionais - pode variar de galáxia para galáxia.

No papel, "Transição de Fase de Desordem de Ordem em Aglomerados Estelares do Buraco Negro, " publicado em Cartas de revisão física em 12 de julho, 2019, cientistas do Institute for Advanced Study, Universidade Americana de Beirute, e a Universidade de Leiden deram os primeiros passos para compreender os padrões orbitais coletivos que emergem em aglomerados de estrelas em torno de um buraco negro supermassivo. Ao estudar esses aglomerados de estrelas e como eles evoluem, os pesquisadores estão colhendo novos insights sobre o comportamento dos buracos negros supermassivos e sua influência sobre os arredores estelares.

Com base em uma série de modelos numéricos e simulações, a equipe mostrou que os aglomerados de estrelas em buracos negros podem passar por uma transição de fase de um estado esférico para um estado assimétrico quando são resfriados abaixo de uma temperatura dinâmica crítica. Esta transição de fase, em alguns sentidos, é semelhante à transição de fase que ocorre quando um líquido se transforma em sólido. Assim como as moléculas podem mudar de um estado líquido desordenado para um estado onde são congeladas no lugar, esses aglomerados de estrelas são capazes de atingir o equilíbrio em uma estrutura desordenada (esférica) ou ordenada (assimétrica), dependendo de suas propriedades e ambiente.

"Esses sistemas exibem um comportamento surpreendentemente rico, com paralelos notáveis ​​com fenômenos de laboratório bem estudados, como congelamento e ferromagnetismo, "afirmou Scott Tremaine, Richard Black Professor do Instituto de Estudos Avançados, um dos três autores do artigo. "Esses novos fenômenos podem mudar drasticamente nossa compreensão do ambiente de buracos negros supermassivos e aumentar nossa capacidade de compreender as taxas e propriedades de fusões de buracos negros supermassivos, consumo de estrelas por buracos negros, e outros fenômenos nos centros das galáxias. "

Um aglomerado de estrelas nucleares desequilibradas em torno de um buraco negro supermassivo é visto nas imagens do Telescópio Espacial Hubble da vizinha Galáxia de Andrômeda. Por outro lado, nossa galáxia natal, a Via Láctea, e a M87 - recentemente fotografada pelo Event Horizon Telescope - abrigam aglomerados esféricos. Para galáxias mais distantes, os aglomerados de estrelas nucleares são muito pequenos para serem visualizados pelos telescópios existentes, mas as formas do cluster podem influenciar fortemente os eventos transitórios que podemos observar, como erupções de estrelas com ruptura de maré e sinais de ondas gravitacionais de estrelas em espiral para o buraco negro.

"O presente trabalho é, em mais de uma maneira, o ponto culminante de nosso programa de pesquisa sobre as propriedades térmicas de aglomerados de estrelas em buracos negros. Ele estabelece as bases para estudar sua resposta coletiva às perturbações evolutivas e ambientais, "declarou Jihad Touma, outro dos autores do artigo. "Acreditamos que os sistemas modelo que identificamos e analisamos são realistas e versáteis o suficiente para desempenhar para a gravidade o papel que o modelo de Ising desempenhou e continua a desempenhar para o magnetismo."

Uma investigação mais aprofundada de como os aglomerados de estrelas nucleares se formam e evoluem será necessária para determinar a frequência com que as transições de fase desse tipo ocorrem na natureza. Contudo, a presença de um aglomerado assimétrico em Andrômeda, a grande galáxia vizinha mais próxima da nossa galáxia, sugere que este é um processo comum no universo.

A equipe de pesquisa consiste em Jihad Touma da American University of Beirut e um ex-membro e visitante do IAS (2007–09; 2013–14; 2017) na Escola de Ciências Naturais; Scott Tremaine, do Institute for Advanced Study; e Mher Kazandjian da Universidade de Leiden.

Um link para o artigo detalhando os métodos da equipe está disponível aqui. A equipe reconhece o uso de recursos de computação IAS para realizar cálculos essenciais para seu trabalho.