Após décadas de progresso constante, os astrofísicos computacionais alcançaram um importante ponto de viragem na investigação dos buracos negros. Um novo estudo apresenta o modelo mais detalhado e completo do crescimento de buracos negros luminosos, o processo pelo qual os buracos negros puxam a matéria circundante e emitem radiação intensa. Utilizando os supercomputadores mais poderosos do mundo, os investigadores calcularam com sucesso como a matéria flui para os buracos negros, tendo em conta tanto a teoria da gravidade de Einstein como o papel dominante da radiação, sem depender de atalhos simplificadores.
Esta conquista marca a primeira vez que tais cálculos foram realizados em plena relatividade geral sob condições dominadas pela radiação. Os resultados abrem uma nova janela sobre como os buracos negros se comportam em ambientes extremos que antes estavam fora do alcance das simulações.
Quem liderou a pesquisa e onde ela foi publicada
O estudo foi publicado Jornal Astrofísico e liderado por cientistas do Instituto de Estudos Avançados e do Centro de Astrofísica Computacional do Instituto Flatiron. Este representa o primeiro artigo de uma série planeada que irá apresentar a nova estrutura computacional da equipa e aplicá-la a uma variedade de sistemas de buracos negros.
“Esta é a primeira vez que conseguimos ver o que acontece quando os processos físicos mais importantes na acreção de buracos negros são devidamente incluídos. Esses sistemas são altamente não lineares – qualquer suposição de simplificação excessiva pode mudar completamente os resultados. O que é mais emocionante é que nossas simulações agora reproduzem o comportamento de sistemas notavelmente consistentes com o comportamento de sistemas vistos através de buracos negros. Com os binários de raios X, em certo sentido, vemos esses sistemas não através de um telescópio, mas através de um computador. “observou”, disse o autor principal Lizhong Zhang
Zhang é pesquisador conjunto de pós-doutorado no Instituto de Estudos Avançados da Escola de Ciências Naturais e no Instituto Flatiron de Astrofísica Computacional. Iniciou o projeto em seu primeiro ano de IAS (2023-24) e deu continuidade ao trabalho em Flatiron.
Por que o modelo do buraco negro precisa da relatividade e da radiação?
Qualquer modelo realista de um buraco negro deve incluir a relatividade geral, uma vez que a intensa gravidade destes objetos curva o espaço e o tempo de maneiras extremas. Mas a gravidade por si só não é suficiente. Quando uma grande quantidade de matéria cai em direção a um buraco negro, muita energia é liberada na forma de radiação. Rastrear com precisão como essa radiação viaja através do espaço-tempo curvo e interage com o gás próximo é fundamental para entender o que os astrônomos realmente observam.
Até agora, as simulações não conseguiam lidar totalmente com a combinação destes efeitos. Tal como os modelos simplificados de sala de aula que capturam apenas parte de um sistema real, as abordagens anteriores baseavam-se em pressupostos que tornavam os cálculos geríveis, mas imperfeitos.
“Os métodos anteriores usavam suposições que tratavam a radiação como uma espécie de fluido, que não refletia seu comportamento real”, explicou Zhang.
Resolvendo equações completas sem atalhos
Estas suposições já foram inevitáveis porque as equações subjacentes são extraordinariamente complexas e exigem enormes recursos computacionais. Combinando insights desenvolvidos ao longo de muitos anos, a equipe desenvolveu novos algoritmos capazes de resolver essas equações diretamente.
“O nosso é o único algoritmo que existe no momento que fornece uma solução que trata a radiação como ela realmente é na relatividade geral”, disse Zhang.
Este avanço permite aos investigadores simular ambientes de buracos negros com um nível de realismo que antes era impossível.
Focando em buracos negros de massa estelar
A pesquisa concentrou-se em buracos negros de massa estelar, que normalmente têm massa cerca de 10 vezes a do Sol. Estes objetos são muito mais pequenos que o Sgr A*, o buraco negro supermassivo no centro da Via Láctea, mas oferecem vantagens únicas para estudo.
Embora os astrónomos tenham produzido imagens detalhadas de buracos negros supermassivos, os buracos negros de massa estelar aparecem apenas como pequenos pontos de luz. Os cientistas devem analisar a luz que emitem, dividindo-a num espectro, que revela como a energia é distribuída em torno do buraco negro. Como os buracos negros de massa estelar evoluem em minutos a horas, em vez de anos ou séculos, eles permitem aos investigadores observar mudanças rápidas em tempo real.
Simulações que correspondem a observações reais
Usando o seu novo modelo, os investigadores seguiram como a matéria espirala para dentro, criando discos instáveis e dominados pela radiação em torno de buracos negros de massa estelar. As simulações também mostram a formação de fortes ventos soprando para fora e, em alguns casos, fortes jatos.
É importante ressaltar que o espectro de luz simulado corresponde muito ao que os astrônomos observam em sistemas reais. Este forte acordo permite tirar conclusões mais seguras a partir de dados observacionais limitados e aprofundar a compreensão dos cientistas sobre como funcionam estes objetos distantes.
Supercomputadores inovadores
O Instituto de Estudos Avançados tem uma longa história de avanço da ciência por meio de modelagem computacional. Um marco inicial foi o projeto de computador eletrônico liderado pelo professor fundador (1933–55) John von Neumann, que influenciou campos que vão da dinâmica dos fluidos à ciência climática e à física nuclear.
Continuando essa tradição, Zhang e seus colegas tiveram acesso a dois dos supercomputadores mais poderosos do mundo, Frontier no Laboratório Nacional de Oak Ridge e Aurora no Laboratório Nacional de Argonne. Essas máquinas em exaescala podem realizar quintilhões de cálculos por segundo e ocupar milhares de metros quadrados de espaço – lembrando o enorme tamanho dos primeiros computadores.
Aproveitar esse poder computacional requer matemática sofisticada e software projetado especificamente para a tarefa. Christopher White, do Flatiron Institute e da Universidade de Princeton, liderou o desenvolvimento do algoritmo de transporte radiativo. Patrick Mullen, membro da Escola de Ciências Naturais (2021-22) e agora no Laboratório Nacional de Los Alamos, liderou a integração deste algoritmo no código Athena, que é otimizado para sistemas exaescala.
O que vem a seguir para a pesquisa de buracos negros
A equipa planeia testar se a sua abordagem pode ser aplicada a todos os tipos de buracos negros. Além dos sistemas de massa estelar, as simulações também podem lançar nova luz sobre os buracos negros supermassivos, que desempenham um papel central na formação de galáxias. Trabalhos futuros irão refinar ainda mais a forma como a radiação interage com a matéria numa ampla gama de temperaturas e densidades.
“O que torna este projeto único é, por um lado, o tempo e o esforço necessários para desenvolver a matemática aplicada e o software capaz de modelar estes sistemas complexos e, por outro lado, a grande alocação dos maiores supercomputadores do mundo para realizar estes cálculos”, disse o co-autor James Stone, professor da Escola do Instituto de Estudos Avançados. “A tarefa agora é compreender toda a ciência que resulta disso.
