Uma equipe de astrofísicos liderada pela Northwestern University desenvolveu a primeira simulação 3D completa de toda a evolução de um jato formado por uma estrela em colapso, ou um “colapsar”.
Como esses jatos geram explosões de raios gama (GRBs) – os eventos mais energéticos e luminosos no universo desde o Big Bang – as simulações lançaram luz sobre essas peculiares e intensas explosões de luz. Suas novas descobertas incluem uma explicação para a questão de longa data de por que os GRBs são misteriosamente pontuados por momentos de silêncio – piscando entre emissões poderosas e uma quietude assustadoramente silenciosa. A nova simulação também mostra que os GRBs são ainda mais raros do que se pensava anteriormente.
O novo estudo será publicado em 29 de junho no Astrophysical Journal Letters. Ele marca a primeira simulação 3D completa de toda a evolução de um jato – desde seu nascimento perto do buraco negro até sua emissão após escapar da estrela em colapso. O novo modelo também é a simulação de resolução mais alta de um jato de grande escala.
“Esses jatos são os eventos mais poderosos do universo”, disse Ore Gottlieb, da Northwestern, que liderou o estudo. “Estudos anteriores tentaram entender como eles funcionam, mas esses estudos foram limitados pelo poder computacional e tiveram que incluir muitas suposições. Fomos capazes de modelar toda a evolução do jato desde o início – desde seu nascimento por um buraco negro — sem assumir nada sobre a estrutura do jato. Seguimos o jato desde o buraco negro até o local de emissão e encontramos processos que foram negligenciados em estudos anteriores.”
Gottlieb é Rothschild Fellow no Northwestern’s Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA). Ele é coautor do artigo com o membro da CIERA Sasha Tchekhovskoy, professor assistente de física e astronomia na Weinberg College of Arts and Sciences da Northwestern.
Balançando de uma forma estranha
O fenômeno mais luminoso do universo, os GRBs surgem quando o núcleo de uma estrela massiva colapsa sob sua própria gravidade para formar um buraco negro. À medida que o gás cai no buraco negro em rotação, ele se energiza – lançando um jato na estrela em colapso. O jato soca a estrela até finalmente escapar dela, acelerando a velocidades próximas à velocidade da luz. Depois de se libertar da estrela, o jato gera um GRB brilhante.
“O jato gera um GRB quando atinge cerca de 30 vezes o tamanho da estrela – ou um milhão de vezes o tamanho do buraco negro”, disse Gottlieb. “Em outras palavras, se o buraco negro é do tamanho de uma bola de praia, o jato precisa se expandir por todo o tamanho da França antes de poder produzir um GRB”.
Devido à enormidade dessa escala, as simulações anteriores não conseguiram modelar a evolução completa do nascimento do jato e a jornada subsequente. Usando suposições, todos os estudos anteriores descobriram que o jato se propaga ao longo de um eixo e nunca se desvia desse eixo.
Mas a simulação de Gottlieb mostrou algo muito diferente. À medida que a estrela colapsa em um buraco negro, o material dessa estrela cai no disco de gás magnetizado que gira em torno do buraco negro. O material em queda faz com que o disco se incline, o que, por sua vez, inclina o jato. À medida que o jato luta para se realinhar com sua trajetória original, ele oscila dentro do colapso.
Essa oscilação fornece uma nova explicação do motivo pelo qual os GRBs piscam. Durante os momentos de silêncio, o jato não para – sua emissão se afasta da Terra, então os telescópios simplesmente não podem observá-lo.
“A emissão de GRBs é sempre irregular”, disse Gottlieb. “Vemos picos na emissão e, em seguida, um tempo quiescente que dura alguns segundos ou mais. A duração total de um GRB é de cerca de um minuto, então esses tempos quiescentes são uma fração não desprezível da duração total. Os modelos anteriores não eram capaz de explicar de onde vinham esses tempos quiescentes. Essa oscilação naturalmente dá uma explicação para esse fenômeno. Observamos o jato quando está apontando para nós. Mas quando o jato oscila para apontar para longe de nós, não podemos ver sua emissão. Isso é parte da teoria da relatividade de Einstein.”
Raro se torna mais raro
Esses jatos oscilantes também fornecem novos insights sobre a taxa e a natureza dos GRBs. Embora estudos anteriores estimassem que cerca de 1% dos colapsares produzem GRBs, Gottlieb acredita que os GRBs são realmente muito mais raros.
Se o jato fosse restrito a se mover ao longo de um eixo, ele cobriria apenas uma fina fatia do céu – limitando a probabilidade de observá-lo. Mas a natureza instável do jato significa que os astrofísicos podem observar GRBs em diferentes orientações, aumentando a probabilidade de localizá-los. De acordo com os cálculos de Gottlieb, os GRBs são 10 vezes mais observáveis do que se pensava anteriormente, o que significa que os astrofísicos estão perdendo 10 vezes menos GRBs do que se pensava anteriormente.
“A ideia é que observamos GRBs no céu em uma determinada taxa e queremos aprender sobre a verdadeira taxa de GRBs no universo”, explicou Gottlieb. “As taxas observadas e verdadeiras são diferentes porque só podemos ver os GRBs que estão apontando para nós. Isso significa que precisamos supor algo sobre o ângulo que esses jatos cobrem no céu, a fim de inferir a taxa verdadeira de GRBs. Isso é, que fração de GRBs estamos perdendo. A oscilação aumenta o número de GRBs detectáveis, então a correção da taxa observada para a verdadeira é menor. Se perdermos menos GRBs, haverá menos GRBs em geral no céu.”
Se isso for verdade, postula Gottlieb, então a maioria dos jatos não consegue ser lançada ou nunca consegue escapar do colapso para produzir um GRB. Em vez disso, eles permanecem enterrados no interior.
Energia mista
As novas simulações também revelaram que parte da energia magnética nos jatos se converte parcialmente em energia térmica. Isso sugere que o jato possui uma composição híbrida de energias magnéticas e térmicas, que produzem o GRB. Em um grande passo à frente na compreensão dos mecanismos que alimentam os GRBs, esta é a primeira vez que os pesquisadores inferem a composição do jato dos GRBs no momento da emissão.
“Estudar jatos nos permite ‘ver’ o que acontece no fundo da estrela enquanto ela colapsa”, disse Gottlieb. “Caso contrário, é difícil aprender o que acontece em uma estrela colapsada porque a luz não pode escapar do interior estelar. Mas podemos aprender com a emissão do jato – a história do jato e as informações que ele carrega dos sistemas que os lançam. ”
O grande avanço da nova simulação está parcialmente em seu poder computacional. Usando o código “H-AMR” em supercomputadores no Oak Ridge Leadership Computing Facility em Oak Ridge, Tennessee, os pesquisadores desenvolveram a nova simulação, que usa unidades de processamento gráfico (GPUs) em vez de unidades de processamento central (CPUs). Extremamente eficientes na manipulação de computação gráfica e processamento de imagens, as GPUs aceleram a criação de imagens em uma tela.
Publicado em 06/07/2022 00h19
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