Finalmente sabemos por que os buracos negros expelem tanta energia

No centro da galáxia M87, localizada a cerca de 55 milhões de anos-luz de distância, na constelação de Virgem, encontra-se M87*, um buraco negro supermassivo com massa equivalente a seis bilhões e meio de vezes a do nosso Sol.

Este colosso gira a uma velocidade vertiginosa, e essa rotação gera fenômenos cósmicos de violência sem precedentes. Por quase um século, os astrônomos observaram, sem compreender, esses jatos de matéria escapando do coração da galáxia, estendendo-se por milhares de anos-luz no espaço intergaláctico.

Formação de uma cadeia plasmoide no plano equatorial de um buraco negro, onde a reconexão magnética acelera as partículas a energias extremas. As linhas cinzas representam o campo magnético. Crédito: Meringolo, Camilloni, Rezzolla (2025) 

A equipe da Universidade Goethe de Frankfurt, liderada pelo Professor Luciano Rezzolla, desenvolveu uma ferramenta de simulação chamada FPIC. Esse código computacional permite modelar com precisão sem precedentes o comportamento de partículas carregadas e campos eletromagnéticos no ambiente extremo de um buraco negro em rotação. Os cálculos, que exigiram vários milhões de horas de processamento em supercomputadores alemães, revelaram que a famosa mecânica de Blandford-Znajek não foi a única responsável pela extração de energia.

As simulações destacaram um processo físico pouco conhecido: a reconexão magnética. Esse fenômeno ocorre quando as linhas do campo magnético se rompem e se reconectam abruptamente, liberando enormes quantidades de energia. No plano equatorial do buraco negro, essa atividade gera cadeias de plasmoides — estruturas de plasma ultraenergéticas — que se movem a velocidades próximas à da luz. Essas explosões de plasma contribuem diretamente para alimentar os jatos cósmicos.

O estudo publicado no The Astrophysical Journal Letters demonstra que essa reconexão magnética produz partículas de energia negativa, um conceito contraintuitivo, mas perfeitamente descrito pelas equações da relatividade geral . Essas partículas exóticas desempenham um papel fundamental na transferência de energia do buraco negro para o seu entorno. Essa descoberta abre novas perspectivas para a compreensão de como núcleos galácticos ativos atingem luminosidades tão extraordinárias e como as partículas são aceleradas a velocidades relativísticas.

Jatos relativísticos: rodovias cósmicas de matéria e energia

Jatos astrofísicos são fluxos colimados de matéria e radiação que escapam das regiões centrais de certos objetos celestes a velocidades próximas à da luz. Observadas pela primeira vez em 1918 na galáxia M87, essas estruturas frequentemente se estendem por dezenas de milhares de anos-luz no espaço intergaláctico.

A formação desses jatos requer condições extremas encontradas principalmente em torno de buracos negros supermassivos e estrelas de nêutrons em rápida rotação. Sua energia vem da rotação do objeto central, transferida para o entorno por meio de campos magnéticos intensos. As partículas aceleradas nesses jatos emitem radiação síncrotron, visível em todos os comprimentos de onda do espectro eletromagnético. 

Esses jatos desempenham um papel crucial na evolução das galáxias, regulando a formação de estrelas e aquecendo o gás intergaláctico. Quando um jato colide com o meio circundante, ele cria ondas de choque que podem comprimir o gás para formar novas estrelas ou, inversamente, dispersá-lo e impedir a formação de estrelas. Essa regulação determina, em parte, o tamanho e a morfologia das galáxias.

Observações recentes mostram que os jatos podem variar consideravelmente em intensidade e direção em escalas de tempo astronomicamente curtas. Essa variabilidade é explicada pelos processos de acreção de matéria e reconexão magnética perto do horizonte de eventos do buraco negro. O estudo detalhado dessas variações permite aos astrônomos sondar as regiões mais próximas dos buracos negros, inacessíveis por observação direta .

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