Respondendo a perguntas antigas sobre jatos de buracos negros

A única coisa que todos sabem sobre os buracos negros é que absolutamente tudo o que está próximo é sugado para dentro deles. Quase tudo, ao que parece.

O buraco negro M87* (o asterisco designa o buraco negro no meio da galáxia M87) chamou a atenção do mundo quando foi detectado pela primeira vez pelo Event Horizon Telescope. Desde então, os astrofísicos de Princeton descobriram que o campo magnético torcido em torno de um buraco negro determina a espiral de polarização reveladora observada nas imagens de buracos negros. Em particular, a direção do fluxo de energia (do buraco para o campo ou vice-versa) determina como a polarização se torce. Medindo em que direção a polarização gira, pode-se inferir se o campo magnético está extraindo energia de spin do buraco ou bombeando energia de spin para ele. Crédito: Modelo de Andrew Chael, George Wong, Alexandru Lupsasca e Eliot Quataert, Princeton Gravity Initiative 

"Mesmo que os buracos negros sejam definidos como objetos dos quais nada pode escapar, uma das previsões surpreendentes da teoria da relatividade de Einstein é que os buracos negros podem realmente perder energia", diz o astrofísico Eliot Quataert, Charles A. Young Professor de Astronomia de Princeton no Turma da Fundação 1897. "Eles podem girar e, assim como um pião desacelera com o tempo e perde essa energia em sua rotação, um buraco negro em rotação também pode perder energia para o seu entorno."

Os cientistas aceitaram amplamente este modelo desde a década de 1970. Eles sabiam que os campos magnéticos provavelmente extraíam energia de buracos negros em rotação – só não sabiam como.

Uma equipe de astrofísicos de Princeton determinou agora conclusivamente que a energia próxima do horizonte de eventos do buraco negro M87* está a empurrar para fora, e não para dentro. (M87 é o nome da galáxia, Messier 87, por isso o buraco negro no seu centro é designado M87*.) Os investigadores também criaram uma forma de testar a previsão de que os buracos negros perdem energia rotacional, disse Quataert, e de estabelecer a sua aquela energia que produz "os fluxos incrivelmente poderosos que vemos e que chamamos de jatos".

Esses jatos de saída de energia “são basicamente como sabres de luz Jedi com um milhão de anos-luz de comprimento”, disse Alexandru Lupsasca, ex-pós-doutorado em Princeton, e podem se estender 10 vezes mais do que a galáxia da Via Láctea.

Um modelo simples de buraco negro. Crédito: Andrew Chael, George Wong, Alexandru Lupsasca e Eliot Quataert, Princeton Gravity Initiative

Os resultados do seu trabalho aparecem na edição atual do The Astrophysical Journal . Andrew Chael, pesquisador associado em astrofísica, é o primeiro autor do artigo. Ele e o coautor George Wong são membros da equipe do Event Horizon Telescope e desempenharam um papel fundamental no desenvolvimento dos modelos usados ​​para interpretar buracos negros. Chael, Wong, Lupsasca e Quataert são todos teóricos afiliados à Princeton Gravity Initiative.

A equipe deu crédito a Chael pela visão vital no cerne do novo artigo: que a direção na qual as linhas do campo magnético estão espiralando revela a direção do fluxo de energia. A partir disso, “o resto se encaixou”, disse Quataert.

"Se você pegar a Terra, transformar tudo em TNT e explodi-la 1.000 vezes por segundo durante milhões e milhões de anos, essa é a quantidade de energia que estamos obtendo do M87", disse Wong, pesquisador associado do da Princeton Gravity Initiative e membro do Institute for Advanced Study.

Os cientistas sabem há décadas que, quando um buraco negro começa a girar, ele arrasta consigo a estrutura do espaço-tempo. As linhas do campo magnético que passam pelo buraco negro são arrastadas e isso retarda a rotação, levando à liberação de energia. 

"Nossa nova e precisa previsão é que sempre que você olhar para um buraco negro astrofísico, se ele tiver linhas de campo magnético ligadas a ele, haverá transferência de energia - quantidades verdadeiramente insanas de transferência de energia", disse Lupsasca, ex-pesquisador associado da Princeton, que agora é professor assistente de física e matemática na Universidade Vanderbilt, e que ganhou o prêmio New Horizons in Physics 2024 da Breakthrough Prize Foundation por sua pesquisa sobre buracos negros.

Embora o fluxo de energia próximo ao horizonte de eventos de M87* esteja fluindo para fora, a equipe disse que o fluxo de energia poderia, teoricamente, ir para dentro em um buraco negro diferente. Eles estão confiantes na sua ligação entre o fluxo de energia e a direção das linhas do campo magnético , e a sua previsão de que o fluxo de energia vem do buraco negro será testada com o lançamento do ainda teórico Telescópio Event Horizon de "próxima geração".

Uma simulação de supercomputador 3D do M87*. Crédito: Andrew Chael, George Wong, Alexandru Lupsasca e Eliot Quataert, Princeton Gravity Initiative

Durante o último ano e meio, investigadores de buracos negros em todo o mundo têm proposto especificações para o futuro instrumento, disse Wong. "Artigos como o nosso podem desempenhar um papel crucial na determinação do que precisamos. Acho que é um momento incrivelmente emocionante."

Os quatro investigadores sublinharam no seu artigo que não demonstraram conclusivamente que a rotação do buraco negro “realmente alimenta o jacto extragaláctico”, embora a evidência certamente se incline nessa direcção. Embora os níveis de energia que o seu modelo mostra sejam proporcionais às necessidades dos jatos, eles não puderam descartar a possibilidade de o jato poder ser alimentado por plasma rotativo fora do buraco negro. 

“Acho que é extremamente provável que o buraco negro alimente o jato, mas não podemos provar isso”, disse Lupsasca. "Ainda."

Fonte: phys.org