Buracos negros são famosos por sugar tudo que cruza seus horizontes de eventos, incluindo luz. Então, por que os astrônomos veem radiação energética vindo do ambiente de um buraco negro em um sistema binário de raios X? É uma boa pergunta que finalmente tem uma resposta.
À medida que um buraco negro e sua estrela companheira no sistema orbitam em uma dança gravitacional mútua, o material da estrela espirala em direção ao buraco negro. Ele forma um disco de acreção que brilha intensamente em raios X. O disco é atravessado por fortes campos magnéticos que se torcem conforme o buraco negro e o disco giram. Mas, de onde os raios X se originam? Acontece que eles fluem de regiões turbulentas no disco. Eles não vêm do buraco negro em si.
Sistemas binários de raios X
Para entender melhor esses sistemas binários, ajuda dar uma olhada geral em suas origens. Esses pares ímpares geralmente contêm uma estrela regular (geralmente uma da sequência principal) acoplada gravitacionalmente a uma estrela de nêutrons ou um buraco negro. Existem vários tipos de sistemas. Um é o tipo de baixa massa com uma estrela que tem uma massa menor do que a estrela de nêutrons ou o buraco negro companheiro. Existem os de massa intermediária, que contêm uma estrela de massa intermediária, e o binário de raios X de alta massa que tem uma estrela de massa muito alta no sistema.
Os componentes buraco negro/estrela de nêutrons se formam quando uma estrela companheira supermassiva explode como uma supernova. Depois disso, a estrela doadora começa a perder massa para a estrela companheira morta. O material em queda geralmente cria o disco de acreção onde ocorre atividade de alta energia. Geralmente, a ação no disco de acreção gera as emissões que os astrônomos detectam nesses sistemas. Os binários de baixa massa emitem mais raios X como parte de seu “orçamento” de radiação, enquanto os de alta massa emitem muita luz óptica além dos raios X.
Por muito tempo, os cientistas tentaram entender as fontes da radiação de alta energia observando como o material era varrido para os discos de acreção. Os raios X geralmente ocorrem em ambientes extremamente energéticos. Então, todos presumiram que esses discos tinham regiões energéticas localizadas. Uma ideia era que campos magnéticos e nuvens de gás locais interagiam e isso gerava os raios X. A atividade parece semelhante ao aquecimento no ambiente do Sol criado pela atividade magnética relacionada a erupções solares. As erupções ocorrem nos discos de acreção ao redor dos buracos negros e são muito mais extremas do que as explosões do nosso Sol.
Fazendo raios X em buracos negros
Simulações de supercomputadores feitas na Universidade de Helsinque ajudaram a identificar a causa dos raios X. Eles modelaram interações entre radiação, plasma superaquecido e campos magnéticos em discos de acreção de buracos negros em pares binários. As simulações mostraram que a turbulência ao redor do buraco negro é incrivelmente forte. O plasma realmente produz raios X emanando de discos de acreção. Joonas Nättilä do grupo de Astrofísica Computacional de Plasma da universidade liderou uma equipe que investigou esse tipo de plasma extremo. Ele ressaltou que para entender o que está acontecendo, temos que olhar para os efeitos da eletrodinâmica quântica no sistema.
A equipe modelou uma mistura de plasma elétron-pósitron e fótons. O plasma elétron-pósitron é um estado em que elétrons e pósitrons interagem nos limites de um forte campo magnético. Em tais condições, a radiação de raios X local se transforma em elétrons e pósitrons. Então, eles se aniquilam de volta em radiação à medida que restabelecem o contato. Elétrons e pósitrons são antipartículas um do outro. Isso significa que eles geralmente não ocorrem no mesmo lugar. Além disso, plasma e radiação geralmente não interagem um com o outro. Mas tudo isso pode mudar quando você entra no ambiente ao redor de um buraco negro. Lá, elétrons e pósitrons existem em ambientes próximos e os fótons se tornam tão energéticos que se tornam parte da atividade.
“Na vida cotidiana, tais fenômenos quânticos onde a matéria aparece de repente no lugar de luz extremamente brilhante não são, é claro, vistos, mas perto de buracos negros, eles se tornam cruciais”, disse Nättilä. “Levamos anos para investigar e adicionar às simulações todos os fenômenos quânticos que ocorrem na natureza, mas, no final das contas, valeu a pena”, ele acrescentou.
Para maiores informações
Explicação encontrada para a radiação de raios X dos buracos negros
Simulações de plasma radiativo de fluxo de acreção de buraco negro coronae nos estados duro e suave
