Buracos negros supermassivos emitem jatos de plasma incandescente que se estendem por milhares de anos-luz por todo o cosmos. Pela primeira vez, os pesquisadores identificaram o que está criando esses jatos.
Paradoxalmente, os buracos negros, esses infames engolidores de luz e matéria, também expelem luz e matéria com força e eficiência sem paralelo. Eles alimentam feixes finos de plasma chamados jatos que se estendem por milhares de anos-luz no espaço, formando segmentos de linha brilhantes vistos por todo o cosmos.
Os físicos sabem por que as coisas entram: os buracos negros têm tanta gravidade que prendem até mesmo a luz, o que os envolve em esferas de invisibilidade. Mas por que os jatos saem das bordas de muitos buracos negros é muito mais difícil de entender. “Um dos maiores mistérios do universo é como os buracos negros lançam jatos”, disse Sara Issaoun, astrofísica da Universidade Radboud, na Holanda.
Agora, por meio do trabalho de Issaoun e seus colegas da equipe Event Horizon Telescope (EHT) de observação de buracos negros, o mistério começou a ser desvendado. Várias semanas atrás, o EHT divulgou sua segunda foto de um buraco negro – outra visão do mesmo anel de fogo marcado pela escuridão visto em 2019. Ambas as imagens mostram o plasma brilhante ao redor do buraco negro supermassivo no centro da galáxia M87, cujo gigante jato sobe fora da moldura. Ao contrário da primeira foto, o anel na nova imagem tem listras, indicando que a luz está fortemente polarizada.
Especialistas dizem que o padrão espiral das listras resulta de um campo magnético forte e ordenado em torno do buraco negro M87, e que isso representa a primeira evidência empírica significativa a favor de uma teoria popular de lançamento de jato de 44 anos, conhecida como Blandford -Znajek processo.
Roger Blandford e Roman Znajek, jovens físicos da Universidade de Cambridge em 1977, argumentaram que a rotação de buracos negros supermassivos irá torcer os campos magnéticos do ambiente em uma hélice estreita, e que essa torção criará uma voltagem que extrai energia do buraco ao longo da hélice. Este, afirmaram, é o jato – e um grande asterisco na noção ingênua de que nada escapa dos buracos negros.
Na época, todos os ingredientes do processo eram especulativos, mas as novas observações confirmam a ideia de Blandford-Znajek. “O que vemos em nossa imagem é a polarização ordenada em forma de espiral”, disse Issaoun, que estava envolvido na análise das medições de polarização. “E a forma do campo magnético também é espiral … o que significa que é capaz de lançar um jato.”
“Estou muito feliz”, disse Znajek, agora vereador aposentado da cidade de Cambridge, por e-mail.
Além disso, as novas observações apontam para uma das duas versões rivais do processo Blandford-Znajek que foram desenvolvidas e exploradas em centenas de simulações de computador nas últimas décadas, conhecidas como cenários de lançamento de jato MAD e SANE. Essas ideias concorrentes pintam imagens opostas do ambiente de um buraco negro e, em particular, a origem e a força de seu campo magnético.
Os modelos SANE, que assumem campos mais fracos, foram considerados por muito tempo mais plausíveis. Mas a luz fortemente polarizada na nova foto do Event Horizon Telescope aponta para fortes campos magnéticos e, portanto, para a versão MAD dos eventos. A nova imagem “parece favorecer fortemente os modelos MAD”, disse Alexander Chen, um astrofísico teórico da Universidade do Colorado que não faz parte do EHT.
Há mais para descobrir sobre jatos de buraco negro e seu papel no cosmos. As opiniões divergem sobre vários elementos do cenário MAD, e MAD deixa muitas questões sem resposta que os pesquisadores estão explorando em simulações de próxima geração. Durante todo o tempo, eles permanecem maravilhados.
“O buraco negro em M87 tem o tamanho de nosso sistema solar”, disse Issaoun, mas produz uma corrente de plasma incandescente de 5.000 anos-luz de comprimento. É como a Estátua da Liberdade saltando de uma bola de gude. Cerca de 3 trilhões de trilhões de trilhões de joules de energia fluem pelo jato a cada segundo – 500 trilhões de vezes mais energia do que toda a população humana queima em uma década. “Como algo tão pequeno pode ser tão poderoso?”
The Wind-Up Helix
O jato do M87 foi o primeiro descoberto. Heber Curtis o observou em 1918 – “um curioso raio reto” emanando do centro de uma mancha nebulosa de luz que Curtis, alguns anos depois, ajudou a identificar como uma galáxia além da nossa. A possibilidade teórica de buracos negros – protuberâncias no tecido de outro modo liso do espaço-tempo – tinha sido imaginada apenas dois anos antes, mas levaria 60 anos para Blandford e Znajek conectar os buracos negros aos jatos.
Eles eram um pós-doutorando e um estudante de graduação em Cambridge na década de 1970, quando os buracos negros estavam no ar. Stephen Hawking trabalhava no final do corredor. Roger Penrose estava em Londres, fazendo a teoria do buraco negro que acabaria por lhe render o Prêmio Nobel de Física de 2020. Os astrônomos também estavam começando a levar os buracos negros a sério, com observações sugerindo que a fonte de raios-X Cygnus X-1 era um desses objetos.
Blandford e Znajek estavam focados na intrigante pletora das chamadas fontes duplas de rádio – bolhas enormes, brilhantes e emissoras de rádio localizadas em cada lado de galáxias distantes. Abundavam as teorias sobre o que isso poderia ser. Blandford e Znajek, imersos em sua esfera de influência de buraco negro, foram os primeiros convertidos à resposta correta: as bolhas jorram das extremidades dos jatos que disparam em direções opostas de um grande buraco negro no centro da galáxia.
Os astrofísicos acabariam por confirmar que os buracos negros supermassivos, de fato, ancoram galáxias, mas, na época, Blandford e Znajek estavam especulando – não apenas sobre a presença de buracos negros, mas também sobre suas capacidades geradoras de jato. “O problema básico é que você precisa de uma fonte de energia”, disse Blandford, que agora é professor da Universidade de Stanford, em uma videochamada.
O matemático Roy Kerr havia resolvido as equações para um buraco negro giratório em 1963, mostrando que o buraco, ao girar invisivelmente, arrasta a estrutura do espaço-tempo com ele. Então Roger Penrose provou que buracos negros giratórios podem diminuir a velocidade e que, ao fazer isso, eles transformam sua energia rotacional em outra coisa. “Ambos compreendemos o processo Penrose”, disse Blandford, o que provou que os buracos negros “não são membranas unilaterais, por assim dizer; você pode extrair a energia do spin. Mostramos uma maneira de fazer isso com campos eletromagnéticos.”
Eles sabiam que um grande buraco negro no centro de uma galáxia, devido à sua enorme gravidade, atrairá uma grande quantidade de gás interestelar. O gás cairá em direção ao buraco negro e girará em torno dele, formando um “disco de acreção”. O gás vai se aquecer, ficando tão quente que os átomos perdem seus elétrons, criando um plasma que carregará campos magnéticos.
Com as equações de Kerr em mãos, Blandford e Znajek mostraram que quando as linhas de campo magnético do disco de acreção caem no buraco giratório, a rotação do buraco negro enrolará as linhas de campo em uma hélice orientada ao longo do eixo de rotação do buraco. Os campos magnéticos em movimento geram uma voltagem, então uma corrente de elétrons e pósitrons começará a fluir através da hélice para longe do buraco negro em ambas as direções. Este é o jato.
Em 1977, a proposta de lançamento do jato de Blandford e Znajek parecia funcionar no papel. “Apenas propor que isso poderia ser o que está acontecendo já foi um grande passo em frente”, disse Chen. Mas ninguém sabia se era verdade.
Ordem e Caos
À medida que o poder da computação melhorava nos anos 80 e 90, as pessoas colocaram o processo Blandford-Znajek funcionando em simulações. Mas todos os ingredientes – o buraco negro em rotação, o campo magnético, a luz e a matéria no disco de acreção – eram variáveis e ninguém sabia a receita certa.
Uma dicotomia desenvolvida nos anos 2000 entre duas classes de simulações de computador: modelos em que o disco de acreção comanda o show e modelos em que o campo magnético domina.
No início, nos anos 80, os pesquisadores magnetizaram um pouco os discos de acreção em suas simulações. Nestes modelos – mais tarde apelidados de SANE, uma sigla para “evolução estável e normal” – o plasma gira em torno do buraco negro como água em torno de um ralo, e linhas de campo magnético flutuante, orientadas aleatoriamente, giram com ele. A turbulência do campo faz com que as partículas colidam e percam energia e momento angular, permitindo que caiam no buraco negro em vez de apenas orbitar ao seu redor. Conforme o plasma cai, ele fornece linhas de campo magnético fracas para o orifício. Linhas de campo gradualmente se acumulam nele e são mantidas lá pelo influxo de plasma. Eventualmente, o buraco negro torce este campo emaranhado o suficiente para lançar um jato.
Então, no final da década de 1990, pesquisadores como Ramesh Narayan, da Universidade de Harvard, começaram a aumentar a força do campo magnético em torno de seus buracos negros simulados apenas para ver o que aconteceria. Esses físicos descobriram que, quando o campo é forte o suficiente, ele se torna mais coerente do que turbulento e controla o disco de acreção, e não o contrário. As linhas de campo magnético formam um campo de força literal em torno do buraco negro, agindo como uma luva para um jato ao mesmo tempo que evita que o plasma caia no buraco. A matéria às vezes encontra uma abertura, de repente balançando através da barreira magnética e escorregando para o abismo. Mas, na maior parte, o disco está travado no lugar. Essas simulações ficaram conhecidas como “disco preso magneticamente” ou modelos MAD.
“Por muito tempo, as pessoas pensaram que o cenário SANE era mais natural”, disse Andrew Chael, físico da Universidade de Princeton e membro da equipe EHT especializado em modelos MAD. O gás quente vindo de longe em direção ao buraco negro “não está caindo de forma coerente”, disse ele, então não havia razão para esperar que o magnetismo migrasse para dentro com o gás para se combinar em algo ordenado e forte. “Cinco anos atrás, todo mundo estava principalmente fazendo simulações do SANE”, disse Chael.
Mas a nova imagem do Event Horizon Telescope de luz polarizada em torno do buraco negro do M87 aponta firmemente na direção MAD. A luz polarizada vibra em um único plano, normalmente após refletir em uma superfície ou quando emitida por partículas carregadas cujos caminhos estão se curvando uniformemente em um campo magnético. O padrão espiral na foto transmite que o plano de vibração da luz gira conforme você olha para diferentes lugares ao redor do anel, exatamente como esperado se as partículas que irradiam a luz estão girando em torno das linhas do campo magnético que têm um padrão espiral coerente.
Uma situação de SANE, com campos fracos e turbulentos, dizem os especialistas, criaria um padrão de polarização muito mais fraco. Como está, o campo em toda a região é forte – tão forte quanto a metade de um ímã de geladeira, disse Issaoun, “mas também é do tamanho de um sistema solar.”
O Caminho Reto
Para entender a origem do campo magnético curiosamente forte em torno do buraco de M87 (e potencialmente todos os outros buracos negros supermassivos com jatos), os especialistas devem primeiro decifrar o código do padrão de polarização em faixas. “No momento, as pessoas estão se esforçando muito para inferir por meio da engenharia reversa como são os campos”, disse Chen.
Enquanto isso, outros pesquisadores começaram a diminuir o zoom na situação MAD; eles estão simulando uma região maior ao redor do buraco negro para estudar como as estrelas podem gerar os campos magnéticos que migram para o centro. “Conectar esse [magnetismo] a escalas maiores será algo realmente grande nos próximos anos”, disse Chael.
Tomando a abordagem oposta, um trio de jovens pesquisadores – Sasha Philippov, Benoît Cerutti e Kyle Parfrey – estão focando nas partículas carregadas que disparam para cima do jato. Suas simulações detalhadas em nível de partícula, que levam milhões de horas de CPU, sugerem que as partículas surgem principalmente de colisões de fótons acima dos pólos do buraco negro, roubando energia do buraco enquanto disparam de lá.
O estudo das partículas pode ser necessário para determinar a estrutura geral dos jatos e seu efeito nas galáxias e no espaço intergaláctico que eles atravessam. Muitos jatos são finos e brilhantes em todo o seu comprimento. “Como é que brilha? Como vemos isso?” Chen se pergunta. No caso do jato do M87, “vemos isso muito claramente no céu. Às vezes, ele se quebra em nós e às vezes é contínuo, mas é notavelmente reto e fino. Entender isso certamente nos ajudará a entender como ele interage com o meio galáctico e intergaláctico – como ele transfere energia para a galáxia, por exemplo.”
A colaboração do EHT continuará a orientar esses esforços. Até o final deste ano, eles planejam publicar uma olhada no buraco negro no centro de nossa própria galáxia, uma besta silenciosa chamada Sagitário A * que pode ou não ter um jato fraco. As observações de acompanhamento do buraco negro de M87 mostrarão como o ambiente desse buraco varia com o tempo, o que restringirá a velocidade de rotação.
Mesmo enquanto a história dos jatos de buracos negros é escrita, o senso de admiração dos físicos sobre eles parece, até agora, não ter diminuído. “Basta olhar para esses jatos”, disse Blandford, que continua a teorizar sobre eles. “Eles são coisas totalmente retas. Eles são como linhas no céu, alguns deles. … É surpreendente que a natureza seja capaz de fazer essas estruturas. Sim, estou impressionado.”
Publicado em 22/05/2021 12h26
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