Simulações de supercomputadores oferecem explicação para radiação de raios X de buracos negros

Pesquisadores da Universidade de Helsinque obtiveram sucesso em algo que vinha sendo buscado desde a década de 1970: explicar a radiação de raios X dos arredores do buraco negro. A radiação se origina do efeito combinado dos movimentos caóticos de campos magnéticos e gás de plasma turbulento.

A visualização mostra como o plasma turbulento se move na corona do disco de acreção magnetizado. Crédito: Jani Närhi 

Usando simulações detalhadas de supercomputadores, pesquisadores da Universidade de Helsinque modelaram as interações entre radiação , plasma e campos magnéticos ao redor de buracos negros . Foi descoberto que os movimentos caóticos, ou turbulência, causados ​​pelos campos magnéticos aquecem o plasma local e o fazem irradiar.

O estudo foi publicado na Nature Communications . A simulação usada no estudo é o primeiro modelo de física de plasma a incluir todas as interações quânticas importantes entre radiação e plasma.

Foco na radiação de raios X dos discos de acreção

Um buraco negro é criado quando uma grande estrela colapsa em uma concentração tão densa de massa que sua gravidade impede até mesmo a luz de escapar de sua esfera de influência. É por isso que, em vez de observação direta , os buracos negros só podem ser observados por meio de seus efeitos indiretos no ambiente.

A maioria dos buracos negros observados tem uma estrela companheira, com a qual formam um sistema estelar binário. Em um sistema binário, dois objetos orbitam um ao outro, e a matéria da estrela companheira lentamente espirala para dentro do buraco negro. Esse fluxo lento de gás frequentemente forma um disco de acreção ao redor do buraco negro, uma fonte brilhante e observável de raios X.

Desde a década de 1970, tentativas têm sido feitas para modelar a radiação dos fluxos de acreção ao redor dos buracos negros. Na época, já se pensava que os raios X eram gerados pela interação do gás local e dos campos magnéticos, semelhante a como os arredores do sol são aquecidos por sua atividade magnética por meio de erupções solares .

"As erupções nos discos de acreção dos buracos negros são como versões extremas das erupções solares", diz o professor associado Joonas Nättilä, que lidera o grupo de pesquisa em Astrofísica Computacional de Plasma na Universidade de Helsinque, especializado em modelar precisamente esse tipo de plasma extremo.

Interação radiação-plasma

As simulações demonstraram que a turbulência ao redor dos buracos negros é tão forte que até mesmo os efeitos quânticos se tornam importantes para a dinâmica do plasma.

Na mistura modelada de plasma elétron-pósitron e fótons, a radiação de raios X local pode se transformar em elétrons e pósitrons, que podem então se aniquilar novamente em radiação, à medida que entram em contato.

Nättilä descreve como elétrons e pósitrons, antipartículas entre si, geralmente não ocorrem no mesmo lugar. No entanto, os arredores extremamente energéticos dos buracos negros tornam isso possível. Em geral, a radiação também não interage com o plasma. No entanto, os fótons são tão energéticos ao redor dos buracos negros que suas interações são importantes para o plasma também.

"Na vida cotidiana, fenômenos quânticos em que a matéria aparece repentinamente no lugar de luz extremamente brilhante não são vistos, mas perto de buracos negros, eles se tornam cruciais", diz Nättilä.

"Levamos anos para investigar e adicionar às simulações todos os fenômenos quânticos que ocorrem na natureza, mas, no final, valeu a pena", acrescenta.

Uma imagem precisa das origens da radiação

O estudo demonstrou que o plasma turbulento produz naturalmente o tipo de radiação de raios X observada nos discos de acreção. A simulação também tornou possível, pela primeira vez, ver que o plasma ao redor dos buracos negros pode estar em dois estados de equilíbrio distintos, dependendo do campo de radiação externo. Em um estado, o plasma é transparente e frio, enquanto no outro, é opaco e quente.

"As observações de raios X dos discos de acreção de buracos negros mostram exatamente o mesmo tipo de variação entre os chamados estados suaves e duros", ressalta Nättilä.

Fonte: phys.org