No começo, o Universo era todo gás primordial. De alguma forma, parte dele foi varrido para buracos negros supermassivos (SMBHs), as singularidades gigantescas que residem no coração das galáxias. Os detalhes de como isso aconteceu e como os SMBHs acumulam massa são algumas das maiores questões da astrofísica.

A ciência dos buracos negros deu um grande passo em 2019 quando o Telescópio do Horizonte de Eventos capturou a primeira imagem de um buraco negro. Esse SMBH estava em Messier 87, uma galáxia elíptica supergigante a mais de 50 milhões de anos-luz da Terra. Por mais fascinante que tenha sido essa conquista, ela não respondeu às nossas perguntas de longa data sobre como esses objetos se tornam tão massivos.

Os cientistas sabem que dois processos principais governam o crescimento dos SMBH: eles acumulam gás frio de sua galáxia hospedeira e se fundem durante colisões de galáxias.

Mas há algumas perguntas misteriosas e sem resposta. Uma diz respeito às suas origens. Podemos ver SMBHs acretando matéria, mas a velocidade com que eles adquirem massa não pode realmente explicar seu tamanho. Alguns deles são bilhões de vezes mais massivos que o Sol. Os SMBHs tiveram algum tipo de surto de crescimento nas primeiras idades do Universo?

E quanto aos buracos negros de massa intermediária (IMBHs)? São eles objetos elusivosque podem residir no centro de aglomerados globulares, trampolins para SMBHs?

Jatos de buracos negros também são misteriosos. Esses jatos são extremamente poderosos e aceleram a matéria a velocidades extremas. Astrofísicos entendem os princípios básicos de como SMBHs criam esses jatos. Mas esses jatos podem atingir velocidades relativísticas e como eles fazem isso não está claro.

Como os SMBHs são tão difíceis de observar em detalhes, os cientistas confiam em teorias para explicá-los. Com o tempo, eles tentam refinar suas teorias. Mas às vezes, conforme nosso poder de observação aumenta, nossas teorias não correspondem às nossas observações. Isso é verdade para os discos de acreção ao redor dos SMBHs. Enquanto a teoria diz que esses discos devem ser planos como panquecas, as observações mostram que eles são inchados.

É aqui que entram as simulações.

Simulações detalhadas são uma das melhores ferramentas dos astrofísicos para entender SMBHs. Uma nova pesquisa publicada no The Open Journal of Astrophysics examina os discos de acreção ao redor de SMBHs com simulações. Esses discos são os reservatórios de gás que alimentam o crescimento de SMBHs. A pesquisa é “FORJADO no FOGO: Resolvendo o fim da formação estelar e a estrutura dos discos de acreção de AGNs a partir de condições cosmológicas iniciais.O autor principal é Philip Hopkins, professor de Astrofísica Teórica no Caltech.

“Nossa nova simulação marca o ápice de vários anos de trabalho de duas grandes colaborações iniciadas aqui no Caltech”, disse o autor principal Hopkins em um comunicado à imprensa.

Hopkins está falando sobre FIRE (Feedback em Ambientes Realistas) e STARFORGE (Formação Estelar em Ambientes Gasosos). STARFORGE é um simulador de pequena escala que se concentra em como estrelas individuais se formam em nuvens de gás chamadas nuvens moleculares. FIRE se concentra na formação de galáxias, incluindo coisas como feedback do buraco negro e têmpera.

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FIRE e STARFORGE estão em extremos opostos da escala, e o novo trabalho preenche a lacuna entre os dois.

“Mas havia uma grande lacuna entre os dois”, explica Hopkins. “Agora, pela primeira vez, nós superamos essa lacuna.”

“Recentemente, tornou-se possível ampliar de escalas cosmológicas para sub-pc em simulações de galáxias para acompanhar a acreção em buracos negros supermassivos (SMBHs)”, escrevem os autores em sua pesquisa. “No entanto, em algum momento, as aproximações usadas em escalas ISM (por exemplo, resfriamento opticamente fino e formação estelar (SF) e feedback (FB) integrados à população estelar) quebram.”

A física que impulsiona a acreção em pequena escala é diferente da física que impulsiona a acreção em larga escala. “Não está de forma alguma claro o que ocorre fisicamente quando as diferentes físicas mais relevantes em diferentes escalas se cruzam”, escrevem os pesquisadores.

As simulações em larga escala são baseadas em coisas como os efeitos coletivos de populações inteiras de estrelas e função de massa inicial. Simulações em pequena escala são baseadas em coisas como a formação de protoestrelas individuais e ventos estelares de estrelas individuais. Em uma escala ainda menor, as simulações focam em aspectos individuais de discos de acreção ao redor de SMBHs.

Esta figura da pesquisa mostra nove escalas diferentes com rótulos apropriados para cada uma: meio intergaláctico, meio circumgaláctico, meio interestelar galáctico, raio de influência do buraco negro, e o resto está escrito por extenso. Crédito da imagem: Hopkins et al. 2024.
Esta figura da pesquisa mostra nove escalas diferentes com rótulos apropriados para cada uma: meio intergaláctico, meio circumgaláctico, meio interestelar galáctico, raio de influência do buraco negro, e o resto está escrito por extenso. Crédito da imagem: Hopkins et al. 2024.
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“Como resultado, não houve simulações que pudessem abranger todos esses três regimes simultaneamente e de forma autoconsistente”, explicam Hopkins e seus coautores.

Preencher a lacuna não foi uma questão simples. Hopkins e seus colegas pesquisadores precisavam de uma simulação com resolução muito maior. A resolução tinha que ser mais de 1.000 vezes maior do que o melhor simulador anterior.

“Isso nos permite abranger escalas de ~100 Mpc até <100 au (~300 raios de Schwarzschild) ao redor de um SMBH em um momento em que ele se acumula como um quasar brilhante em uma única simulação”, explicam os pesquisadores em seu artigo.

Suas simulações tinham uma surpresa reservada. Elas mostram que as forças magnéticas desempenham um papel maior nos discos de acreção SMBH do que se pensava.

A teoria mostra que os discos de acreção rotativos ao redor dos SMBHs devem ser planos como panquecas. Isso se deve à conservação do momento angular e forças viscosas no disco que distribuem o momento, mantendo o disco plano. Mas nossas teorias não se alinham com as observações.

“Nossas teorias nos disseram que os discos deveriam ser planos como crepes”, diz Hopkins. “Mas sabíamos que isso não estava certo porque observações astronômicas revelam que os discos são, na verdade, fofos — mais como um bolo de anjo. Nossa simulação nos ajudou a entender que os campos magnéticos estão sustentando o material do disco, tornando-o mais fofo.”

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Buracos negros supermassivos têm diferentes níveis de atividade. Quando estão ativamente agregando muito material, eles são extremamente luminosos e emitem luz através do espectro eletromagnético. Neste caso, eles são chamados de quasares, e sua saída de luz pode exceder a de uma galáxia inteira tão grande quanto a Via Láctea.

Quasares são extremamente poderosos, e astrofísicos estão ansiosos para entender como os discos ao redor desses SMBHs funcionam. Esses pesquisadores usaram suas simulações para fazer o que eles chamam de “super zoom-in”. Para que isso funcione em várias escalas, as simulações devem incluir todos os tipos de fórmulas que governam coisas, da gravidade simples à matéria escura. Essas coisas devem ser computadas em paralelo, e elas se alimentam umas das outras.

“Se você apenas disser que a gravidade puxa tudo para baixo e então eventualmente o gás forma uma estrela e as estrelas simplesmente se acumulam, você entenderá tudo completamente errado”, explica Hopkins. Estrelas são objetos complexos. Elas têm ventos estelares. Elas podem aquecer gás próximo. Algumas são pequenas e fracas e duram trilhões de anos. Algumas são enormes e quentes e explodem como supernovas no final de suas curtas vidas. A natureza é extraordinariamente complexa, como a maioria das pessoas interessadas em astronomia entende.

Construir uma simulação que possa levar em conta todos os detalhes em diversas escalas é uma tarefa extremamente complexa.

“Havia alguns códigos que tinham a física necessária para resolver a parte de pequena escala do problema e alguns códigos que tinham a física necessária para resolver a parte maior e cosmológica do problema, mas nada que tivesse as duas coisas”, diz Hopkins.

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O trabalho da equipe levou a uma simulação de um SMBH no início do Universo com dez milhões de massas solares. Ele aumenta o zoom conforme um fluxo gigante de gás formador de estrelas é arrancado de sua nuvem para o disco de acreção girando em torno do buraco negro. Ele continua aumentando o zoom conforme o gás é atraído para mais perto do buraco.

“Na nossa simulação, vemos esse disco de acreção se formar ao redor do buraco negro”, diz Hopkins. “Teríamos ficado muito animados se tivéssemos visto aquele disco de acreção, mas o que foi muito surpreendente foi que o disco simulado não se parece com o que pensamos por décadas que deveria se parecer.”

A teoria do buraco negro, que remonta à década de 1970, mostra que a pressão térmica é uma força dominante em discos de acreção de buracos negros supermassivos. Essas teorias mostram que a pressão térmica impede que os discos entrem em colapso sob a gravidade extrema exercida pelo SMBH. Os campos magnéticos desempenharam um papel menor.

Mas essas simulações mostram o contrário. Elas mostram que a pressão magnética no disco é cerca de 10.000 vezes mais forte do que a pressão térmica do gás.

“Então, os discos são quase completamente controlados pelos campos magnéticos”, diz Hopkins. “Os campos magnéticos servem para muitas funções, uma das quais é sustentar os discos e tornar o material inchado.”

Esse resultado muda muita coisa.

“Mostramos que os campos magnéticos são críticos para uma ampla gama de efeitos em escalas sub-pc dentro do disco de acreção, variando desde a manutenção de torques eficientes e altas taxas de entrada, explicando as alturas de escala e perfis verticais da estrutura do disco, o tamanho/limite externo do disco de acreção e, talvez o mais importante, a supressão da formação de estrelas em escalas sub-pc”, escrevem os autores.

Um disco ainda pode se formar sem um campo magnético, mas as coisas são drasticamente diferentes. O disco será uma magnitude ou mais menor do que um disco com um campo. A taxa de acreção no disco pode ser mais de 100 vezes menor, e o disco pode se fragmentar e formar estrelas.

Este é apenas o começo das simulações da equipe. Eles pretendem publicar dois artigos adicionais em uma série. Nesses artigos, eles se concentrarão em mais detalhes, como a formação de estrelas e a função de massa inicial na região interna ao redor dos discos de acreção dos quasares.

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Formado em Educação Física, apaixonado por tecnologia, decidi criar o site news space em 2022 para divulgar meu trabalho, tenho como objetivo fornecer informações relevantes e descomplicadas sobre diversos assuntos, incluindo jogos, tecnologia, esportes, educação e muito mais.