Após décadas de progresso constante, os astrofísicos computacionais alcançaram um importante ponto de viragem no estudo dos buracos negros. O novo estudo apresenta o modelo mais detalhado e completo de acreção de buracos negros luminosos, o processo pelo qual os buracos negros puxam a matéria circundante e emitem radiação intensa. Utilizando alguns dos supercomputadores mais poderosos da Terra, 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 simplistas.
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 condições extremas que antes eram inacessíveis à simulação.
Quem liderou o estudo e onde foi publicado
O estudo foi publicado em Jornal astrofísico e liderado por cientistas do Instituto de Estudos Avançados e do Centro de Astrofísica Computacional do Instituto Flatiron. Este é o primeiro artigo de uma série planeada que irá apresentar a nova estrutura computacional da equipa e aplicá-la a diferentes tipos de sistemas de buracos negros.
“Esta é a primeira vez que conseguimos ver o que acontece quando os processos físicos mais importantes na acumulação de buracos negros são ativados com precisão. Esses sistemas são altamente não lineares – qualquer suposição excessivamente simplista pode mudar completamente o resultado. O mais interessante é que nossas simulações agora reproduzem o comportamento notavelmente consistente dos sistemas de buracos negros observados no céu, desde fontes de raios X ultrabrilhantes até binários de raios X. De certa forma, conseguimos ‘observar’ esses sistemas não através de um telescópio, mas através de um computador “, disse o líder autor Lizhong Zhang.
Zhang é pós-doutorado conjunto na Escola de Ciências Naturais do Instituto de Estudos Avançados e no Centro de Astrofísica Computacional do Instituto Flatiron. Iniciou o projeto durante seu primeiro ano no IAS (2023-24) e continuou na Flatiron.
Por que os modelos de buracos negros precisam de relatividade e radiação?
Qualquer modelo realista de buraco negro deve incorporar 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, uma enorme quantidade de energia é liberada na forma de radiação. Rastrear com precisão como esta radiação se move através do espaço-tempo distorcido e interage com o gás próximo é importante para compreender o que os astrónomos estão realmente a observar.
Até agora, as simulações não foram capazes de lidar totalmente com esta combinação de efeitos. Tal como os modelos simplificados de sala de aula que cobrem apenas parte do sistema real, as abordagens anteriores baseavam-se em pressupostos que tornavam os cálculos geríveis, mas incompletos.
“Os métodos anteriores usavam aproximações que tratavam a radiação como uma espécie de fluido, que não refletia seu comportamento real”, explicou Zhang.
Resolvendo equações completas sem atalhos
Antigamente, essas aproximações eram inevitáveis porque as equações subjacentes eram extremamente complexas e exigiam enormes recursos computacionais. Ao combinar informações acumuladas ao longo de muitos anos, a equipe criou novos algoritmos capazes de resolver essas equações de forma direta, sem aproximações.
“Nosso único algoritmo que existe no momento fornece uma solução ao tratar a radiação tal como ela existe na relatividade geral”, disse Zhang.
Esta descoberta permite aos investigadores simular o ambiente dos buracos negros com um nível de realismo nunca antes possível.
O foco está nos buracos negros de massa estelar
O estudo concentra-se em buracos negros de massa estelar, que normalmente têm 10 vezes a massa 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 mostra como a energia é distribuída em torno do buraco negro. Como os buracos negros de massa estelar evoluem ao longo de minutos e horas, em vez de anos ou séculos, permitem aos investigadores observar mudanças rápidas em tempo real.
Simulações que correspondem a observações reais
Usando o seu novo modelo, os investigadores traçaram como a matéria espirala para dentro, formando discos turbulentos dominados pela radiação em torno de buracos negros de massa estelar. As simulações também mostraram ventos fortes fluindo para fora e, em alguns casos, a formação de jatos poderosos.
É importante ressaltar que os espectros de luz simulados correspondem muito ao que os astrônomos observam em sistemas reais. Este forte acordo permite tirar conclusões mais seguras a partir dos dados observacionais limitados e aprofunda 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 dos primeiros marcos foi o projeto de computador eletrônico liderado pelo professor fundador (1933-55) John von Neumann, que influenciou campos que vão desde a dinâmica dos fluidos até a ciência climática e a física nuclear.
Continuando esta tradição, Zhang e seus colegas têm acesso a dois dos supercomputadores mais poderosos do mundo: Frontier no Laboratório Nacional de Oak Ridge e Aurora no Laboratório Nacional de Argonne. Essas exascales podem realizar quintilhões de cálculos por segundo e abranger milhares de metros quadrados – uma reminiscência do enorme tamanho dos primeiros computadores.
Aproveitar esse poder computacional exigiu matemática complexa e software projetado especificamente para a tarefa. Christopher White, do Flatiron Institute e da Universidade de Princeton, liderou o desenvolvimento do algoritmo de transferência de radiação. Patrick Mullen, membro (2021-2022) da Escola de Ciências Naturais e agora do Laboratório Nacional de Los Alamos, liderou a integração deste algoritmo no código AthenaK, que é otimizado para sistemas exoscale.
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 poderão lançar nova luz sobre os buracos negros supermassivos, que desempenham um papel central na formação de galáxias. Trabalhos futuros irão esclarecer ainda mais 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 despendidos no desenvolvimento de matemática aplicada e software capaz de modelar estes sistemas complexos e, por outro lado, a disponibilidade de recursos muito grandes nos maiores supercomputadores do mundo para realizar estes cálculos”, disse o co-autor James Stone, professor da Escola de Ciências da Vida do Instituto de Estudos Avançados. “Agora a tarefa é compreender toda a ciência que se segue a isso.
