Cem anos antes de a Event Horizon Telescope Collaboration divulgar a primeira imagem do buraco negro no centro da galáxia M87 em 2019, o astrônomo Herb Curtis descobriu jatos estranhos saindo do centro da galáxia. Hoje sabemos que este é o jato do buraco negro M87*. Outros buracos negros também emitem tais jatos. Astrofísicos teóricos da Universidade Goethe desenvolveram agora um código numérico que descreve com alta precisão matemática como um buraco negro converte sua energia rotacional em jatos ultrarrápidos.
Durante quase dois séculos não ficou claro se o ponto brilhante na constelação de Virgem (que Charles Messier descreveu em 1781 como “87: uma nebulosa sem estrelas”) é na verdade uma galáxia muito grande. Portanto, inicialmente não havia explicação para os estranhos jatos que emergiam do centro desta “nebulosa” descoberta em 1918.
No centro da galáxia gigante M87 está o buraco negro M87*, que contém surpreendentes 6,5 mil milhões de massas solares e gira rapidamente em torno do seu eixo. M87* utiliza a energia desta rotação para alimentar jatos de partículas que disparam quase à velocidade da luz e se estendem até 5.000 anos-luz de distância. Esses jatos também são produzidos por outros buracos negros em rotação. Eles ajudam a dispersar energia e matéria por todo o universo e podem influenciar a evolução de galáxias inteiras.
Uma equipe de astrofísicos da Goethe University Frankfurt liderada pelo professor Luciano Rezzolla desenvolveu um código digital chamado Frankfurt Spacetime Intracelular Particle Code (FPIC), que descreve com alta precisão o processo de conversão de energia rotacional em jatos de partículas. Resultados: Além do mecanismo de Blandford-Znayek, que até então se pensava ser responsável pela extração de energia rotacional de buracos negros através de campos magnéticos fortes, os cientistas também descobriram que a extração de energia também envolve outro processo, chamado reconexão magnética. No processo, as linhas do campo magnético se rompem e se unem, fazendo com que a energia magnética seja convertida em calor, radiação e erupções de plasma.
O código FPIC simula a evolução de um grande número de partículas carregadas e campos eletromagnéticos extremos sob a influência da forte gravidade de um buraco negro. Claudio Meringolo, principal desenvolvedor do código, explica: “Simular tais processos é crucial para a compreensão da dinâmica complexa de plasmas relativísticos no espaço-tempo curvo perto de objetos densos, que são governados por interações gravitacionais e magnéticas extremas”.
Essas investigações exigiram simulações exigentes de supercomputadores, consumindo milhões de horas de CPU no supercomputador “Goethe” em Frankfurt e no supercomputador “Hawk” em Stuttgart. Este poderoso poder computacional é fundamental para resolver as equações de Maxwell e as equações de movimento de elétrons e pósitrons, de acordo com a teoria da relatividade geral de Albert Einstein.
No plano equatorial do buraco negro, os cálculos dos investigadores revelaram intensa atividade de reconexão, levando à formação de cadeias de plasmóides – a condensação do plasma em “bolhas” energéticas – movendo-se quase à velocidade da luz. Segundo os cientistas, esse processo é acompanhado pela criação de partículas com energia negativa, que são utilizadas para alimentar fenômenos astrofísicos extremos, como jatos e erupções de plasma.
“Os nossos resultados revelam a fascinante possibilidade de que o mecanismo Blandford-Znayek não seja o único processo astrofísico capaz de extrair energia rotacional de buracos negros,” disse o Dr. Filippo Camilloni, que está envolvido no projecto FPIC, “mas a reconexão magnética também contribui.”
“Através do nosso trabalho, podemos demonstrar como extrair energia de forma eficiente de um buraco negro em rotação e direcioná-la para jatos”, disse Rezzola. “Isso nos permite ajudar a explicar as luminosidades extremas dos núcleos galácticos ativos e a aceleração das partículas quase à velocidade da luz.” Ele acrescentou que é muito emocionante e fascinante usar códigos numéricos complexos para entender melhor o que acontece perto dos buracos negros. “Ao mesmo tempo, é muito mais significativo poder explicar os resultados destas simulações complexas com tratamentos matemáticos rigorosos, como fazemos no nosso trabalho.”
