Os buracos negros não são o que comem. A relatividade geral de Einstein prevê que não importa o que um buraco negro consuma, suas propriedades externas dependem apenas de sua massa, rotação e carga elétrica. Todos os outros detalhes sobre sua dieta desaparecem.
Os astrofísicos caprichosamente chamam isso de conjectura sem cabelo. (Buracos negros, dizem eles, “não têm cabelo”.)
Há uma ameaça potencialmente cabeluda para a conjectura, no entanto. Os buracos negros podem nascer com um forte campo magnético ou obtê-lo mastigando material magnetizado. Esse campo deve desaparecer rapidamente para que a conjectura do não-cabelo se mantenha. Mas os verdadeiros buracos negros não existem isoladamente. Eles podem ser cercados por plasma – gás tão energizado que os elétrons se desprenderam de seus átomos – que pode sustentar o campo magnético, potencialmente desmentindo a conjectura.
Usando simulações de supercomputador de um buraco negro engolfado por plasma, pesquisadores do Centro de Astrofísica Computacional (CCA) do Flatiron Institute na cidade de Nova York, da Columbia University e da Princeton University descobriram que a conjectura sem cabelo se mantém. A equipe relata suas descobertas em 27 de julho na Physical Review Letters.
“A conjectura do não-cabelo é a pedra angular da relatividade geral”, diz o co-autor do estudo Bart Ripperda, pesquisador do CCA e pós-doutorado em Princeton. “Se um buraco negro tem um campo magnético de longa duração, então a conjectura sem cabelo é violada. Felizmente, uma solução veio da física do plasma que salvou a conjectura sem cabelo de ser quebrada.”
As simulações da equipe mostraram que as linhas do campo magnético ao redor do buraco negro rapidamente se quebram e se reconectam, criando bolsões cheios de plasma que se lançam no espaço ou caem na boca do buraco negro. Este processo drena rapidamente o campo magnético e pode explicar as erupções vistas perto de buracos negros supermassivos, relatam os pesquisadores.
“Os teóricos não pensaram nisso porque geralmente colocam seus buracos negros no vácuo”, diz Ripperda. “Mas na vida real, muitas vezes há plasma, e o plasma pode sustentar e trazer campos magnéticos. E isso tem que se ajustar à sua conjectura sem cabelo.”
Ripperda foi coautor do estudo com a estudante de graduação da Columbia Ashley Bransgrove e o cientista pesquisador associado do CCA Sasha Philippov, que também é pesquisador visitante em Princeton.
Um estudo de 2011 sobre o problema sugeriu que a conjectura sem cabelo estava com problemas. No entanto, esse estudo apenas analisou esses sistemas em baixa resolução e tratou o plasma como um fluido. No entanto, o plasma ao redor de um buraco negro é tão diluído que as partículas raramente entram em contato umas com as outras, portanto, tratá-lo como um fluido é uma simplificação exagerada.
No novo estudo, os pesquisadores realizaram simulações físicas de plasma de alta resolução com um modelo relativístico geral do campo magnético de um buraco negro. No total, foram necessários 10 milhões de horas de CPU para passar por todos os cálculos. “Não poderíamos ter feito essas simulações sem os recursos computacionais do Flatiron Institute”, diz Ripperda.
As simulações resultantes mostraram como o campo magnético em torno de um buraco negro evolui. No início, o campo se estende em um arco do pólo norte do buraco negro ao pólo sul. Então, as interações dentro do plasma fazem com que o campo se expanda. Essa abertura faz com que o campo se divida em linhas de campo magnético individuais que irradiam para fora do buraco negro.
As linhas de campo se alternam na direção, em direção ou longe do horizonte de eventos. As linhas de campo magnético próximas se conectam, criando um padrão trançado de linhas de campo que se unem e se separam. Entre dois desses pontos de conexão, existe uma lacuna que se enche de plasma. O plasma é energizado pelo campo magnético, lançando-se para fora no espaço ou para dentro do buraco negro. À medida que o processo continua, o campo magnético perde energia e, eventualmente, murcha.
De maneira crítica, o processo acontece rápido. Os pesquisadores descobriram que o buraco negro esgota seu campo magnético a uma taxa de 10% da velocidade da luz. “A reconexão rápida salvou a conjectura sem cabelo”, diz Ripperda.
Os pesquisadores propõem que o mecanismo que alimenta as chamas observadas no buraco negro supermassivo no centro da galáxia Messier 87 pode ser explicado pelo processo de calvície visto nas simulações. As comparações iniciais entre eles parecem promissoras, dizem, embora seja necessária uma avaliação mais robusta. Se eles realmente se alinharem, as explosões energéticas alimentadas por reconexão magnética nos horizontes de eventos dos buracos negros podem ser um fenômeno generalizado.
Publicado em 28/07/2021 23h15
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