Um novo estudo feito por astrônomos na NASA, na Universidade Johns Hopkins e no Rochester Institute of Technology confirma uma suspeita de longa data sobre como buracos negros de massa estelar produzem sua luz de mais alta energia.
“Nosso trabalho traça o complexo movimento, interações de partículas e campos magnéticos turbulentos no gás aquecido a bilhões de graus no limite de um buraco negro, um dos mais extremos ambientes do universo”, disse o principal pesquisador Jeremy Schnittman, um astrofísico no Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbel, Md.
Analisando simulações feitas em um supercomputador do fluxo de gás em um buraco negro, a equipe encontrou que eles podem produzir uma variação de importantes feições de raios-X por muito tempo observado em buracos negros ativos.
O gás caindo em direção ao buraco negro inicialmente o orbita e então se acumula em um disco plano. O gás armazenado nesse disco gradativamente se espirala para o interior e torna-se altamente comprimido e aquecido à medida que ele se aproxima do centro. Esse gás atinge temperaturas superiores a 20 milhões de graus Fahrenheit (12 milhões de graus Celsius), algo em torno de 2000 vezes mais quente a superfície do Sol – assim, o gás brilha de forma intensa em raios-X de baixa energia.
Por mais de 40 anos, contudo, observações têm mostrado que os buracos negros também produzem uma considerável quantidade de raios-X, chamados de hard, ou seja, uma luz com uma energia de dezenas a centenas de vezes maiores que os raios-X chamados soft. Essa luz de energia mais alta implica na presença de um gás correspondentemente mais quente com temperaturas atingindo os bilhões de graus.
O novo estudo completa o vazio existente entre a teoria e a observação, demonstrando que tanto os raios-X hard como os raios-X soft inevitavelmente surgem do gás que está se espiralando em direção ao buraco negro.
Trabalhando com Julian Krolik, um professor da Universidade de Johns Hopkins em Baltimore, e Scorr Noble, um cientista pesquisador no Rochester Institute of Technology em Rochester, N.Y., Schnittman desenvolveu um processo para modelar a região mais interna do disco de crescimento de um buraco negro, rastreando a emissão e o movimento dos raios-X, e comparando os resultados com as observações de buracos negros reais.
Noble desenvolveu uma simulação de computador resolvendo todas as equações que governam o movimento complexo do gás em queda e os seus campos magnéticos associados perto de um buraco negro em crescimento. O aumento da temperatura, da densidade e da velocidade com que o gás cai, dramaticamente amplifica os campos magnéticos através do disco, que então exerce influência adicional no gás.
O resultado é uma espuma turbulenta orbitando o buraco negro a velocidades próximas à velocidade da luz. Os cálculos simultaneamente rastreiam o fluido, as propriedades elétricas e magnéticas do gás enquanto também leva em consideração a Teoria da Relatividade de Einstein.
Rodando no supercomputador Ranger no Texas Advanced Computing Center, localizado na Universidade do Texas em Austin, a simulação de Noble usou 960 dos quase 63000 processadores do Ranger levando 27 dias para se completar.
No decorrer dos anos, observações melhoras dos raios-X forneceram uma grande quantidade de evidências de que os raios-X hard se originaram numa quente e tênue coroa acima do disco, uma estrutura análoga à quente coroa que circunda o Sol.
“Os astrônomos também esperavam que o disco suportasse fortes campos magnéticos e esperavam que esses campos pudessem criar a coroa”, explicou Noble. “Mas ninguém sabia ao certo se isso realmente acontecia, e se sim, se os raios-X produzidos se ajustariam ao que já se foi observado”.
Usando dados gerados pela simulação de Noble, Schnittman e Krolik desenvolveram ferramentas para rastrear como os raios-X são emitidos, absorvidos e espalhados através tanto do disco de crescimento e da região da coroa. Combinados, eles demonstraram pela primeira vez uma conexão direta entre a turbulência magnética no disco, a formação da coroa com bilhões de graus e a produção de raios-X hard ao redor de um buraco negro se alimentando ativamente.
Um artigo relatando as descobertas foi publicado na edição de 1 de Junho de 2013 do The Astrophysical Journal e pode ser encontrado no final desse post.
Na coroa, os elétrons e outras partículas se movem em frações apreciáveis da velocidade da luz. Quando os raios-X de baixa energia do disco viajam através dessa região, eles podem colidir com uma das partículas que se movimentam rapidamente. O impacto aumenta de forma considerável a energia dos raios-X através de um processo conhecido como espalhamento Compton inverso.
“Os buracos negros são verdadeiramente exóticos, com temperaturas extremamente altas, movimentos incrivelmente rápidos e uma gravidade exibindo todas as características da relatividade geral”, disse Krolik. “Mas nossos cálculos mostraram que nós podemos entender muito sobre eles usando somente os princípios da física tradicional”.
O estudo foi baseado em um buraco negro sem rotação. Os pesquisadores estão estendendo os resultados para buracos negros em rotação, onde a rotação puxa a borda interna do disco para uma região mais interna ainda e as condições se tornam ainda mais extremas. Eles também planejam fazer uma comparação detalhada dos seus resultados com observações mais precisas ainda realizadas por outras instituições e pela própria NASA.
Os buracos negros são objetos mais densos conhecidos. Buracos negros com massa estelar se formam quando estrelas massivas esgotam seu combustível e colapsam, fazendo com que um objeto com 20 vezes a massa do Sol tenha no final do processo, 120 quilômetros de largura.
Fonte:
http://www.nasa.gov/topics/universe/features/black-hole-study.html
