Uma nova pesquisa descobriu que os buracos negros supermassivos consomem a matéria circundante mais rapidamente do que se pensava anteriormente. A descoberta vem de simulações de alta resolução e pode explicar por que os quasares brilham e desaparecem tão rapidamente. Um novo estudo liderado pela Northwestern University está mudando a forma como os astrofísicos entendem os hábitos alimentares dos buracos negros supermassivos. Pesquisadores anteriores presumiram que os buracos negros comiam lentamente, mas novas simulações mostram que os buracos negros engolem alimentos muito mais rápido do que se pensava na sabedoria convencional.
A pesquisa foi publicada no Astrophysical Journal em 20 de setembro.
Insights de simulação
De acordo com novas simulações tridimensionais de alta resolução, um buraco negro giratório distorce o espaço-tempo ao seu redor, eventualmente destruindo o violento vórtice de gás, ou disco de acreção, que envolve e alimenta o buraco negro. Isso faz com que o disco de acreção se divida em dois subdiscos, um interno e outro externo. O buraco negro devora primeiro o anel interno. Então, fragmentos do subdisco externo são derramados para dentro, preenchendo novamente o vazio deixado pelo anel interno totalmente devorado, e o processo de devoração se repete.
Um ciclo de repetição interminável do processo de “comer” – “comer” – “comer de novo” leva apenas alguns meses – uma escala de tempo surpreendentemente rápida em comparação com as centenas de anos propostas anteriormente pelos pesquisadores.
A nova descoberta ajuda a explicar o comportamento dramático de alguns dos objetos mais brilhantes do céu noturno, incluindo quasares, que subitamente explodem em chamas e depois desaparecem sem razão aparente.
Nick Kaaz, da Northwestern University, que liderou o estudo, disse: "A teoria clássica do disco de acreção prevê que o disco de acreção evoluirá lentamente. Mas alguns quasares - buracos negros que devoram gás no disco de acreção - parecem sofrer mudanças dramáticas em escalas de tempo de meses a anos. As mudanças são tão dramáticas. Parece que a parte interna do disco de acreção - de onde vem a maior parte da luz - é destruída e depois reabastecida. A teoria clássica do disco de acreção não pode explicar essa mudança dramática, mas é é possível que o rápido brilho e escurecimento observados em nossas simulações sejam consistentes com a destruição das regiões internas do disco."
Kaaz é estudante de graduação em astronomia na Weinberg College of Arts and Sciences da Northwestern University e membro do Centro de Exploração e Pesquisa Interdisciplinar em Astrofísica (CIERA). Kaaz foi supervisionado pelo coautor Alexander Tchekhovskoy, professor associado de física e astronomia no Weinberg College e membro do CIERA.
suposição errada
Os discos de acreção que rodeiam os buracos negros são objetos fisicamente muito complexos e, portanto, difíceis de modelar. As teorias convencionais têm lutado para explicar por que esses discos brilham tanto e depois diminuem repentinamente - e às vezes desaparecem completamente.
Pesquisadores anteriores acreditavam erroneamente que os discos de acreção eram relativamente ordenados. Nestes modelos, o gás e as partículas orbitam o buraco negro – no mesmo plano do buraco negro e na mesma direção da rotação do buraco negro. Depois, ao longo de escalas de tempo de centenas a centenas de milhares de anos, as partículas de gás espiralam gradualmente para dentro do buraco negro, alimentando-o.
“Durante décadas, as pessoas fizeram uma grande suposição de que o disco de acreção estava alinhado com a rotação do buraco negro”, disse Kaaz. "Mas o gás que alimenta estes buracos negros não sabe necessariamente para que lado os buracos negros giram, então porque é que eles se alinham? Mudar o alinhamento muda a imagem dramaticamente."
A simulação dos investigadores, uma das simulações de maior resolução de um disco de acreção até à data, mostra que a região em torno de um buraco negro é muito mais caótica e turbulenta do que se pensava anteriormente.
Mais parecido com um giroscópio do que com uma placa
Os pesquisadores usaram o Summit, um dos maiores supercomputadores do mundo no Laboratório Nacional de Oak Ridge, para realizar simulações tridimensionais de magnetohidrodinâmica relativística geral (GRMHD) de um disco de acreção fino e inclinado. Embora as simulações anteriores não tenham sido suficientemente poderosas para incluir toda a física necessária para construir um buraco negro real, o modelo liderado por Northwestern incorpora a dinâmica dos gases, os campos magnéticos e a relatividade geral para construir uma imagem mais completa.
“Os buracos negros são objetos relativísticos gerais extremos que afetam o espaço-tempo circundante”, disse Kaaz. "Assim, quando os buracos negros giram, arrastam o espaço à sua volta como um carrossel gigante, forçando o espaço a girar também - um fenómeno conhecido como 'arrasto de enquadramento'. Isto cria um efeito muito forte perto do buraco negro, e torna-se cada vez mais fraco à medida que se afasta."
O arrasto do quadro faz com que todo o disco oscile em círculo, semelhante ao pré-processamento de um giroscópio. Mas o interior do disco oscila muito mais rápido que o exterior. Essa incompatibilidade de forças faz com que todo o disco se deforme, fazendo com que gases de diferentes partes do disco colidam. As fortes ondas de choque criadas pela colisão empurram violentamente o material para cada vez mais perto do buraco negro.
À medida que a deformação se torna mais severa, a região mais interna do disco de acreção continua a oscilar cada vez mais rápido até se separar do resto do disco. Então, com base nos novos resultados da simulação, os subdiscos começam a evoluir independentemente uns dos outros. Em vez de se moverem suavemente como placas planas em torno do buraco negro, os subdiscos oscilam independentemente em diferentes velocidades e ângulos, como as rodas de um giroscópio.
"À medida que o disco interno se desfaz, ele pré-processa de forma independente. O seu movimento para a frente é mais rápido porque está mais próximo do buraco negro e, por ser mais pequeno, pode mover-se mais facilmente," disse Kaaz.
Onde os buracos negros vencem
De acordo com as novas simulações, a zona de ruptura – onde os subdiscos internos e externos se desconectam – é onde o frenesi alimentar realmente começa. Enquanto a fricção tenta manter o disco unido, a distorção do espaço-tempo do buraco negro giratório tenta separá-lo.
“Há uma competição entre a rotação do buraco negro e a fricção e pressão dentro do disco”, disse Katz. "A zona de ruptura é onde o buraco negro vence. Os discos interno e externo colidem entre si. O disco externo remove camadas do disco interno, empurrando-o para dentro."
Agora, os subdiscos se cruzam em ângulos diferentes. O disco externo despeja o material no disco interno. Esta massa extra também empurra o disco interno em direção ao buraco negro, engolindo-o. A própria gravidade do buraco negro puxa então o gás das regiões externas em direção às regiões internas, agora vazias, reabastecendo-o.
Conexões entre quasares
Este rápido ciclo de “comer e comer” poderia explicar a chamada “mudança de aparência” dos quasares, disse Katz. Quasares são objetos extremamente brilhantes que emitem 1.000 vezes a energia dos 200 bilhões a 400 bilhões de estrelas em toda a Via Láctea. A mudança de quasares é ainda mais extrema. Eles parecem piscar ao longo de vários meses - um período extremamente curto para um quasar típico.
Embora a teoria clássica faça suposições sobre a velocidade de evolução do disco de acreção e as mudanças de brilho, as observações de quasares distorcidos sugerem que eles na verdade evoluem muito mais rápido.
"A região interna do disco de acreção, que é de onde vem a maior parte do brilho, pode desaparecer completamente - rapidamente em questão de meses. Podemos basicamente vê-lo desaparecer completamente. O sistema já não acende. Depois, fica mais brilhante novamente, e o processo repete-se. A teoria convencional não consegue explicar porque é que desaparece, ou como é recarregado tão rapidamente."
A nova simulação tem o potencial não só de explicar quasares, mas também de responder a questões de longa data sobre a natureza misteriosa dos buracos negros.
"Como o gás entra em um buraco negro para alimentá-lo é uma questão central na física do disco de acreção", disse Katz. "Se você souber como isso acontece, poderá dizer quanto tempo o disco dura, quão brilhante ele é e como deve ser a luz quando a olhamos com um telescópio."