Uma equipe internacional construiu a simulação mais detalhada e de mais alta resolução de um buraco negro até hoje. A simulação prova previsões teóricas sobre a natureza dos discos de acreção – a matéria que orbita e eventualmente cai em um buraco negro – que nunca foram vistas antes.
A pesquisa foi publicada em 5 de junho no Monthly Notices da Royal Astronomical Society.
Entre as descobertas, a equipe de astrofísicos computacionais da Universidade Northwestern, a Universidade de Amsterdã e a Universidade de Oxford descobriram que a região mais interna de um disco de acreção se alinha com o equador do buraco negro.
Esta descoberta resolve um mistério de longa data, originalmente apresentado pelo físico ganhador do Prêmio Nobel John Bardeen e pelo astrofísico Jacobus Petterson em 1975. Na época, Bardeen e Petterson argumentaram que um buraco negro giratório faria com que a região interna de um disco de acreção inclinado se alinhasse com o plano equatorial do buraco negro.
Depois de uma corrida global de décadas para encontrar o chamado efeito Bardeen-Petterson, a simulação da equipe descobriu que, enquanto a região externa de um disco de acreção permanece inclinada, a região interna do disco se alinha com o buraco negro. Uma dobra suave conecta as regiões interna e externa. A equipe resolveu o mistério reduzindo o disco de acreção a um grau sem precedentes e incluindo a turbulência magnetizada que faz com que o disco se acumule. Simulações anteriores fizeram uma simplificação substancial simplesmente aproximando os efeitos da turbulência.
“Esta descoberta inovadora do alinhamento de Bardeen-Petterson encerra um problema que assombrou a comunidade astrofísica por mais de quatro décadas”, disse Alexander Tchekhovskoy, da Northwestern, que liderou a pesquisa. “Esses detalhes em torno do buraco negro podem parecer pequenos, mas impactam enormemente o que acontece na galáxia como um todo. Eles controlam a rapidez com que os buracos negros giram e, como resultado, o efeito dos buracos negros em suas galáxias inteiras.”
A simulação mostra que a região interna do disco de acreção se alinha com o plano equatorial do buraco negro, sinalizando o longo alinhamento de Bardeen-Petterson. Crédito: Sasha Tchekhovskoy / Northwestern University; Matthew Liska / University of Amsterdam
Tchekhovskoy é professor assistente de física e astronomia na Northwestern’s Weinberg College of Arts e Sciences e membro do CIERA (Centro de Exploração Interdisciplinar e Pesquisa em Astrofísica), um centro de pesquisa na Northwestern focado no avanço de estudos astrofísicos com ênfase em conexões interdisciplinares . Matthew Liska, pesquisador do Instituto de Astronomia Anton Pannenkoek, da Universidade de Amsterdã, é o primeiro autor do estudo.
“Essas simulações não só resolvem um problema de 40 anos, mas demonstraram que, ao contrário do pensamento típico, é possível simular os discos de acreção mais luminosos na relatividade geral completa”, disse Liska. “Isso prepara o caminho para uma próxima geração de simulações, que espero resolver problemas ainda mais importantes em torno dos discos de acreção luminosa.”
Alinhamento indescritível
Quase tudo que os pesquisadores sabem sobre buracos negros foi aprendido estudando discos de acreção. Sem o anel intensamente brilhante de gás, poeira e outros detritos estelares que giram em torno de buracos negros, os astrônomos não seriam capazes de localizar um buraco negro para estudá-lo. Os discos de acreção também controlam o crescimento ea velocidade de rotação de um buraco negro, portanto, entender a natureza dos discos de acreção é fundamental para entender como os buracos negros evoluem e funcionam.
“Alinhamento afeta como discos de acreção torque seus buracos negros”, disse Tchekhovskoy. “Assim, afeta como o giro de um buraco negro evolui com o tempo e lança fluxos que afetam a evolução de suas galáxias hospedeiras”.
De Bardeen e Petterson até os dias atuais, as simulações foram simplificadas demais para encontrar o alinhamento estratificado. Duas questões principais atuaram como uma barreira para os astrofísicos computacionais. Por um lado, os discos de acreção ficam tão próximos do buraco negro que eles se movem através do espaço-tempo deformado, que se precipita no buraco negro a uma velocidade imensa. Para complicar ainda mais as coisas, a rotação do buraco negro força o espaço-tempo a girar em torno dele. A contabilidade adequada desses dois efeitos cruciais requer a relatividade geral, a teoria de Albert Einstein que prevê como os objetos afetam a geometria do espaço-tempo ao seu redor.
Segundo, os astrofísicos não tiveram poder de computação para explicar a turbulência magnética ou a agitação dentro do disco de acreção. Essa agitação é o que faz com que as partículas do disco se mantenham juntas em uma forma circular e o que faz com que o gás eventualmente caia no buraco negro.
“Imagine que você tem esse disco fino. Então, além disso, você precisa resolver os movimentos turbulentos dentro do disco”, disse Tchekhovskoy. “Isso se torna um problema realmente difícil”.
Sem conseguir resolver esses recursos, os cientistas computacionais não conseguiram simular buracos negros realistas.
Quebrando o código
Para desenvolver um código capaz de realizar simulações de discos de acreção titulados ao redor de buracos negros, Liska e Tchekhovskoy usaram unidades de processamento gráfico (GPUs) em vez de unidades centrais de processamento (CPUs). Extremamente eficientes na manipulação de computação gráfica e processamento de imagens, as GPUs aceleram a criação de imagens em um monitor. Eles são muito mais eficientes do que CPUs para algoritmos de computação que processam grandes faixas de dados.
Tchekhovskoy compara as GPUs a 1.000 cavalos e CPUs a uma Ferrari de 1.000 cavalos.
“Vamos dizer que você precisa se mudar para um novo apartamento”, explicou ele. “Você terá que fazer muitas viagens com esta Ferrari poderosa porque não caberá muitas caixas. Mas se você pudesse colocar uma caixa em cada cavalo, você poderia mover tudo de uma só vez. Essa é a GPU. Tem muito de elementos, cada um dos quais é mais lento do que os da CPU, mas há muitos deles “.
Liska também adicionou um método chamado refinamento de malha adaptativa, que usa uma malha dinâmica, ou grade, que muda e se adapta ao fluxo de movimento ao longo da simulação. Ele economiza energia e energia do computador, concentrando-se apenas em blocos específicos na grade onde ocorre o movimento.
As GPUs aceleraram substancialmente a simulação e a malha adaptativa aumentou a resolução. Essas melhorias permitiram que a equipe simulasse o disco de acréscimo mais fino até o momento, com uma relação entre altura e raio de 0,03. Quando o disco foi simulado esta fina, os pesquisadores puderam ver o alinhamento ocorrer ao lado do buraco negro.
“Os discos mais finos simulados antes tinham uma relação altura / raio de 0,05, e acontece que todas as coisas interessantes acontecem em 0,03”, disse Tchekhovskoy.
Em uma descoberta surpreendente, mesmo com esses incrivelmente finos discos de acreção, o buraco negro ainda emitia poderosos jatos de partículas e radiação.
“Ninguém esperava que os jatos fossem produzidos por esses discos em espessuras tão leves”, disse Tchekhovskoy. “As pessoas esperavam que os campos magnéticos que produzem esses jatos simplesmente rasgassem esses discos realmente finos. Mas lá estão eles. E isso realmente nos ajuda a resolver os mistérios da observação.”
Publicado em 08/06/2019
Artigo original: https://phys.org/news/2019-06-most-detailed-ever-simulations-black-hole-longstanding.html