Como os buracos negros geram campos magnéticos?

O disco ao redor de um buraco negro contém partículas carregadas, que geram correntes elétricas e campos magnéticos à medida que orbitam.

O Telescópio do Horizonte de Eventos (EHT) divulgou uma imagem polarizada do buraco negro supermassivo em M87 em 2021. As linhas indicam a estrutura do campo magnético no disco de acreção brilhante ao redor do buraco negro. Crédito: Colaboração EHT

 Como um buraco negro gera um campo magnético e como ele pode ser medido e visualizado?  Alan Croft Seattle, Washington

À medida que os buracos negros se alimentam, eles atraem matéria para um disco ao seu redor. A matéria que orbita nesse disco é aquecida a temperaturas extremas e, assim, se transforma em plasma — um estado da matéria no qual alguns elétrons estão separados de seus átomos. Isso cria íons, ou seja, átomos que se tornam carregados porque o número de elétrons e prótons deixa de ser o mesmo. Portanto, existem tanto íons com carga positiva quanto elétrons com carga negativa nesse plasma. Conforme essas partículas carregadas se movem, elas geram correntes elétricas, que naturalmente levam à formação de campos magnéticos.

Elétrons girando em torno de linhas de campo magnético produzem um tipo de emissão em radiofrequências chamada radiação síncrotron, que observamos com o Telescópio do Horizonte de Eventos (EHT). A radiação síncrotron é inerentemente polarizada: as ondas de rádio oscilam em uma direção específica, determinada pela geometria da linha de campo magnético em torno da qual o elétron se movia quando emitiu essa radiação. Ao obter imagens da luz polarizada do gás quente e brilhante próximo a buracos negros, inferimos diretamente a estrutura e a intensidade dos campos magnéticos que permeiam o fluxo de gás e matéria que o buraco negro consome e ejeta.

Assim, a luz polarizada nos ensina sobre astrofísica, as propriedades do gás e os mecanismos que ocorrem quando um buraco negro se alimenta! Há muitas evidências de que os campos magnéticos desempenham um papel fundamental na forma como um buraco negro se alimenta e ejeta poderosos jatos de plasma. O processo que lança esses jatos é o mecanismo mais energético do universo e afeta drasticamente o crescimento, a fusão e a evolução das galáxias. É impressionante que danos em larga escala possam ser causados ​​por um objeto tão pequeno no centro de uma galáxia, e tudo começa no plasma na borda do buraco negro, onde esses campos magnéticos predominam.

Com o EHT, obtivemos imagens da estrutura de polarização ao redor dos buracos negros M87* e Sagitário A* (Sgr A*). M87* e Sgr A* são buracos negros muito diferentes. M87* é um buraco negro bastante especial: possui 6 bilhões de massas solares, reside em uma galáxia elíptica gigante e ejeta um poderoso jato de plasma visível em todos os comprimentos de onda. Sgr A*, por outro lado, é um buraco negro mais comum: possui 4 milhões de massas solares, reside em nossa galáxia espiral comum, a Via Láctea, e aparentemente não possui jato algum. No entanto, quando obtivemos as primeiras imagens de toda a luz proveniente desses buracos negros, as imagens eram surpreendentemente semelhantes. A característica dominante era a lente gravitacional da luz ao redor da sombra do buraco negro.

Essencialmente, a gravidade do buraco negro é tão imensa que curva a luz da porção do disco de acreção que está atrás dele, permitindo-nos ver o que há atrás do buraco negro. Observando toda a luz emitida por esses dois buracos negros, percebemos que ela era essencialmente a mesma.

Ao observar a porção da luz polarizada, esperávamos descobrir que seus campos magnéticos possuíam propriedades diferentes — talvez um fosse mais ordenado e forte, o outro mais desordenado e fraco. No entanto, como eles também parecem semelhantes em luz polarizada, agora está bastante claro que essas duas classes diferentes de buracos negros têm geometrias de campo magnético muito similares.

Com as duas imagens polarizadas de buracos negros muito diferentes, agora temos evidências convincentes de que campos magnéticos fortes são onipresentes. O próximo passo envolve conectar essa geometria à forma como esses sistemas se movem, evoluem e emitem erupções. Novos projetos como o EHT de próxima geração (ngEHT) e o Explorador de Buracos Negros (BHEX) abrirão novas áreas de estudo de buracos negros que ajudarão a desvendar os mistérios de como eles se alimentam.

O ngEHT planeja adicionar mais telescópios na Terra para preencher nosso espelho virtual do tamanho da Terra e observar com muito mais frequência. Com essas expansões do EHT, seremos capazes de fazer filmes polarizados de buracos negros. Observaremos diretamente a dinâmica entre M87* e seu jato. O BHEX, por outro lado, visa adicionar um telescópio no espaço para aumentar drasticamente a resolução do EHT. Com esse esforço pioneiro, seremos capazes de observar o anel de fótons nítido na borda da sombra do horizonte de eventos em imagens de buracos negros.

Este anel de fótons, criado quando a luz do disco de acreção orbita o buraco negro diversas vezes antes de finalmente escapar, codifica propriedades do espaço-tempo ao redor do buraco negro e pode nos dizer a rotação do mesmo. Acredita-se que a magnitude da rotação dos buracos negros (seu spin) esteja diretamente relacionada à aparência dos campos magnéticos próximos ao buraco negro e à capacidade de lançar jatos.

Sara Issaoun, Bolsista Einstein da NASA, Centro de Astrofísica Harvard & Smithsonian, Cambridge, Massachusetts

Astronomy.com