Após décadas de progresso constante, os astrofísicos computacionais alcançaram um importante ponto de viragem na investigação dos buracos negros. Um novo estudo apresenta o modelo mais detalhado e completo de acreção de buracos negros luminosos, o processo pelo qual um buraco negro atrai material circundante e emite radiação intensa. Utilizando alguns dos supercomputadores mais poderosos da Terra, os investigadores calcularam com sucesso como a matéria flui para um buraco negro, tendo plenamente em conta a teoria da gravidade de Einstein e o papel dominante da radiação, sem depender de atalhos simplificados.
Esta conquista marca a primeira vez que tais cálculos foram realizados na relatividade geral completa sob condições dominadas pela radiação. Estes resultados abrem uma nova janela sobre como os buracos negros se comportam em ambientes extremos, que anteriormente eram impossíveis de simular.
Quem liderou o estudo e onde foi publicado
O estudo foi publicado em O Jornal Astrofísico Liderado por cientistas do Instituto de Estudos Avançados e do Centro de Astrofísica Computacional do Instituto Flatiron. É o primeiro artigo de uma série planeada que irá apresentar a nova estrutura computacional da equipa e aplicá-la a diferentes tipos de sistemas de buracos negros.
“Esta é a primeira vez que conseguimos ver o que acontece quando os processos físicos mais importantes na acreção de buracos negros são incluídos com precisão. Esses sistemas são extremamente não lineares – qualquer suposição simplificada pode mudar completamente os resultados. O mais emocionante é que nossas simulações agora reproduzem o comportamento muito consistente dos sistemas de buracos negros vistos no céu, desde fontes superluminosas de raios X até binários de raios X. De certa forma, conseguimos ‘observar’ esses sistemas não através de um telescópio, mas através de um computador, “disse o autor principal Zhang Lizhong.
Zhang é pós-doutorado na Escola de Ciências Naturais do Instituto de Estudos Avançados e no Centro de Astrofísica Computacional do Instituto Flatiron. Iniciou o projeto durante seu primeiro ano no IAS (2023-24) e continua na Flatiron.
Por que os modelos de buracos negros requerem relatividade e radiação
Qualquer modelo realista de buracos negros deve incorporar a relatividade geral porque a intensa gravidade destes objetos curva o espaço e o tempo de maneiras extremas. Mas a gravidade por si só não é suficiente. Quando uma grande quantidade de matéria cai em um buraco negro, enormes quantidades de energia são liberadas na forma de radiação. Rastrear com precisão como a radiação viaja através do espaço-tempo curvo e interage com o gás próximo é fundamental para entender o que os astrônomos realmente observam.
Até agora, as simulações não foram capazes de lidar totalmente com esta combinação de efeitos. Tal como os modelos simplificados de sala de aula que capturam apenas parte de um sistema real, as primeiras abordagens baseavam-se em pressupostos que tornavam os cálculos geríveis, mas incompletos.
“Os métodos anteriores usavam aproximações e tratavam a radiação como um fluido, o que não refletia seu comportamento real”, explica Zhang.
Resolva equações completas sem atalhos
Essas aproximações já foram inevitáveis porque as equações subjacentes eram muito complexas e exigiam recursos computacionais significativos. Ao combinar insights acumulados ao longo dos anos, a equipe criou novos algoritmos que resolvem essas equações diretamente, sem a necessidade de aproximações.
“Nosso algoritmo é o único atualmente existente que fornece uma solução tratando a radiação como na relatividade geral”, disse Zhang.
Esta descoberta permite aos investigadores simular ambientes de buracos negros com níveis de realismo sem precedentes.
Concentre-se em buracos negros de massa estelar
O estudo concentrou-se em buracos negros de massa estelar, que normalmente têm cerca de 10 vezes a massa do Sol. Estes objetos são muito mais pequenos que o Sgr A*, o buraco negro supermassivo no centro da Via Láctea, mas oferecem vantagens únicas para estudo.
Embora os astrónomos tenham produzido imagens detalhadas de buracos negros supermassivos, os buracos negros de massa estelar aparecem apenas como pequenos pontos de luz. Os cientistas devem analisar a luz que ele emite, dividindo-a num espectro, revelando como a energia é distribuída em torno do buraco negro. Como a evolução de um buraco negro de massa estelar leva de minutos a horas, em vez de anos ou séculos, os investigadores podem observar mudanças rápidas em tempo real.
Simulações que correspondem a observações reais
Usando seu novo modelo, os pesquisadores rastrearam como a matéria espirala para dentro, formando um disco turbulento e dominado pela radiação em torno de um buraco negro de massa estelar. As simulações também mostram ventos fortes fluindo para fora, criando poderosas correntes de jato em alguns casos.
Crucialmente, os espectros simulados correspondiam de perto aos observados pelos astrónomos em sistemas reais. Este forte acordo torna possível tirar conclusões mais seguras a partir de dados observacionais limitados e aprofunda a compreensão dos cientistas sobre como funcionam estes objetos distantes.
Supercomputadores impulsionam inovações
O Instituto de Estudos Avançados tem uma longa história de avanço da ciência por meio de modelagem computacional. Um marco inicial foi o projeto de computador eletrônico liderado pelo professor fundador John von Neumann (1933-55), que influenciou campos que vão desde a dinâmica dos fluidos até a ciência climática e a física nuclear.
Continuando esta tradição, Zhang e seus colegas tiveram acesso a dois dos supercomputadores mais poderosos do mundo: Frontier do Laboratório Nacional de Oak Ridge e Aurora do Laboratório Nacional de Argonne. Esses computadores em exaescala podem realizar cinco trilhões de cálculos por segundo e ocupar milhares de metros quadrados – uma reminiscência do tamanho dos primeiros computadores.
Aproveitar esse poder computacional requer matemática complexa e software projetado especificamente para a tarefa. Christopher White, do Flatiron Institute e da Universidade de Princeton, liderou o desenvolvimento do algoritmo de transferência radiativa. Patrick Mullen, membro da Escola de Ciências Naturais (2021-22) e agora no Laboratório Nacional de Los Alamos, liderou a integração do algoritmo no código AthenaK, que é otimizado para sistemas exaescala.
O que vem a seguir para a pesquisa de buracos negros?
A equipe planeja testar se o seu método pode ser aplicado a todos os tipos de buracos negros. Além dos sistemas de massa estelar, as simulações também podem lançar nova luz sobre os buracos negros supermassivos, que desempenham um papel central na formação de galáxias. Trabalhos futuros irão refinar ainda mais a forma como a radiação interage com a matéria numa ampla gama de temperaturas e densidades.
“Este projeto é único porque, por um lado, levou tempo e esforço para desenvolver a matemática aplicada e o software que pode modelar estes sistemas complexos e, por outro lado, possui recursos enormes para realizar estes cálculos nos maiores supercomputadores do mundo”, disse o co-autor James Stone, professor da Escola de Ciências Naturais do Instituto de Estudos Avançados. “A tarefa agora é compreender todo o conhecimento científico que advém disso.
