Disco de acresção em buracos negros

Foto. Uma topologia de campo dipolo magnético, mostrando a densidade do gás em um disco de acresção. O azul escuro indica a baixa densidade de gás, e o vermelho escuro indica a alta densidade de gás. As linhas brancas mostram a estrutura do campo magnético.

por PGAPereira e J WBell

Os pesquisadores da Universidade de Virginia usam recursos TeraGrid para simular os discos de acresção que cercam os buracos negros e os jatos astrofísicos que eles criam.

          Para pegar emprestado de uma descrição bíblica da fé, discos de acresção ainda não foram vistos fotograficamente. Os buracos negros devoram a luz e a matéria, não deixando nada para os telescópios detectar. Porém, o gás em órbita e o plasma que se formam um pouco além da atração de buracos negros irradiam energia na forma de raios-X. "Os buracos negros se tornaram uma entidade astronômica viável quando os raios-X (a partir de objetos como discos de acresção) foram detectados", diz John Hawley, no departamento de supercomputação da Universidade de Virgínia. "Eles nos dão provas, levando as coisas da teoria para a observação.” Discos de acresção ao redor de buracos negros são uns dos fenômenos mais energéticos observados no universo, tais como sistemas binários de certas estrelas, quasares poderosos, e os jatos enormes de gás que emitem ondas de rádio que emergem dos núcleos de algumas galáxias. Sua energia é impressionante, tipicamente mais de 10 vezes o que se poderia obter a partir da mesma matéria passando por fusão nuclear. E as características observadas desses fenômenos podem flutuar descontroladamente e muito rapidamente, os raios-X vistos em buraco negro de sistemas binários de estrelas diminuem sensivelmente em ciclos curtos de milissegundos. Em 1991, Hawley e seus colaboradores usaram recursos patrocinados pela NSF em supercomputação para mostrar que, de outra forma, órbitas suaves de gás em um disco de acresção se tornarão altamente turbulentas na presença dos mesmos campos magnéticos relativamente fracos, que tinham sido ignoradas nas simulações anteriores e teorias.

          Gás em discos de acresção orbita em equilíbrio entre as forças gravitacionais e de rotação. “A turbulência magnética dissipa a velocidade orbital do gás”, rompendo o equilíbrio e fazendo com que o gás seja sugado em espiral para dentro do buraco negro. Essa energia dissipada toma a forma de calor. Como o gás tem estado em órbita em uma velocidade próxima à da luz, pode chegar a milhões de graus centígrados. Tal gás quente produz raios-X, revelando a presença do sistema do buraco negro. A turbulência magnética, por sua vez, representa as flutuações na emissão de raios-X. Esta descoberta da importância crítica de campos magnéticos "revolucionou a nossa compreensão de discos de acresção,” escreveu o astrofísico Blaes Omer na edição de 2004 da Scientific American. "A situação é bastante semelhante à primeira... quando os astrônomos perceberam que a fonte primária de energia das estrelas era as reações de fusões nucleares que ocorrem nos núcleos estelares." Hawley e muitos outros pesquisadores ainda estão chegando a um acordo com esta conclusão transformadora. Os campos magnéticos são cruciais para o comportamento de discos de acresção, mas os pontos menores permanecem em grande parte ocultos. "Estamos no ponto em que temos os ingredientes fundamentais para entender esses discos e compreender os processos em curso", disse Hawley.

          Hoje, Hawley, Kris Beckwith, e Julian Johns Hopkins Krolik e Scott Noble estão investigando jatos astrofísicos, executando simulações em grande escala de disco de acresção magnetizados. Estes jatos são feixes de energia que esporadicamente respondem a partir de discos de acresção e podem disparar centenas, milhares e até milhões de anos-luz de distância dos discos orbitando buracos negros supermassivos nos centros das galáxias. Ao simular o disco completo, campos magnéticos e tudo, enquanto orbita o buraco negro, eles perceberam como esses jatos podem ser criados. As simulações mais recentes têm testado a maneira em que diferentes configurações de campos magnéticos influenciam tanto o disco de acresção em jactos gerais como astrofísicos em particular. Até agora, os mais fortes jatos são produzidos pela configuração do campo "dipolar", que têm pólos magnéticos globais norte e sul. Esta configuração é muito parecida com a da Terra, exceto que aqui os campos estão ao longo do eixo de um buraco negro.

          Estes estudos foram conduzidos em grande parte no San Diego Supercomputer Center DataStar e agora estão sendo mudado para o Abe NCSA e para os supercomputadores do Texas Advanced Computing Center. Publicado na edição de 2008 do Astrophysical Journal, os resultados iniciais mostraram que a mudança da orientação e da geometria do campo magnético de um sistema teve pouco impacto sobre o caráter do disco de acresção em si. Eles, no entanto, mostram que a resistência e longevidade de jatos astrofísicos emanando a partir do disco são muito sensíveis à configuração do campo magnético. Esses tipos de simulações e futuras simulações que ocorrerão em supercomputadores petascale próximos do NCSA Blue Waters, revela o comportamento por trás de flutuações de raios-X e outras características que os astrônomos observam cada vez que olham para o céu. Eles preenchem as lacunas entre a teoria e a observação. "O almejado, em última análise, é um modelo que prevê o que você veria com um telescópio de raios-X", diz Hawley. "São esforços preliminares nesse sentido."