O que um buraco negro come afeta sua aparência?

 Uma imagem de luz polarizada do buraco negro supermassivo no centro da galáxia Messier 87. [ESO; CC POR 4.0]

Quando os buracos negros supermassivos nos centros das galáxias sifão gás de seus arredores, o gás superaquecido irradia em comprimentos de onda que vão de raio-X ao rádio. Um artigo de pesquisa recente explora se a composição do gás acretado afeta a radiação que observamos.

O que os buracos negros comem?

Em 2019 e 2022, o Event Horizon Telescope capturou imagens de M87* e Sgr A*, os buracos negros supermassivos nos centros de Messier 87 e da Via Láctea, respectivamente. Os anéis brilhantes de emissão de rádio ao redor desses buracos negros são produzidos por elétrons em espiral em torno de linhas de campo magnético em um gás extremamente quente - tão quente que os átomos são separados, formando um mar de núcleos e elétrons nus.

O gás devorado por M87* e Sgr A* é provavelmente uma mistura de hidrogênio e hélio com apenas uma pitada de elementos mais pesados, mas não sabemos sua composição exata. Em uma nova publicação, George Wong (Institute for Advanced Study) e Charles Gammie (Universidade de Illinois) colocam uma questão relevante: a composição desse gás afeta a radiação eletromagnética emitida pelo disco de acreção de um buraco negro supermassivo?

Hidrogênio vs. Hélio

Para abordar essa questão, Wong e Gammie começaram com um modelo simples que lhes permitiu estimar alguns dos efeitos de sintonizar a composição do gás do hidrogênio puro ao hélio puro. Em cada caso, a equipe usou as observações do Event Horizon Telescope de M87* e Sgr A* como referência, ajustando os parâmetros do modelo até que o fluxo simulado igualou o fluxo observado.

Estas simulações sugerem que, à medida que a quantidade de hélio sobe, os elétrons devem estar a uma temperatura mais alta, o plasma deve ser menos denso, e o campo magnético deve ser mais fraco para produzir o fluxo observado. Em outras palavras, mudar a composição do gás requer alterar outras propriedades físicas do sistema para obter a mesma quantidade de radiação. Essas alterações físicas podem, por sua vez, afetar outras propriedades observacionais, como a polarização, ou orientação, das ondas de luz emitidas.

Analisando opções de acreção

Para investigar mudanças na polarização e outras propriedades observacionais, Wong e Gammie utilizaram os resultados desses modelos simples para informar modelos de dinâmica de fluidos relativísticos mais complexos e gerar imagens sintéticas. Os autores consideraram dois casos extremos - um em que o gás ao redor do buraco negro supermassivo é hidrogênio puro, e um em que é hélio puro.

A equipe também explorou dois modelos propostos para como o gás é acretado — um em que o material forma um disco de acreção que alimenta constantemente o material para o buraco negro, e um em que o material é acretado em rajadas aleatórias.

s autores descobriram que a composição do gás afeta a polarização que observamos, com o modelo somente hélio tendo um padrão de polarização mais ordenado. Além disso, a alteração tanto da composição do gás quanto do método de acreção (estável ou aleatória) resulta em resultados complexos, incluindo a alteração de onde no disco a emissão é gerada. Esses resultados mostram que a presença de hélio pode afetar a radiação eletromagnética emitida por um buraco negro acretivo, sugerindo que os modelos futuros devem considerar a composição do gás acretado uma variável importante.

Fonte: aasnova.org