Buracos negros supermassivos são entidades colossais entre milhões e bilhões de vezes mais pesadas que nosso Sol, que residem nos centros da maioria das galáxias em nosso universo, incluindo a nossa própria Via Láctea — e são mais conhecidos pelos brilhantes discos de gás que giram ao seu redor. Esses discos são os restos de estrelas condenadas que um dia foram despedaçadas e aprisionadas pelos buracos negros, que se alimentam desses discos. No entanto, os cientistas ainda não têm certeza de como exatamente os buracos negros se alimentam.
Por exemplo, astrofísicos têm se intrigado há décadas com o motivo pelo qual o material que é arrastado pelo buraco negro não cai imediatamente em seu abismo. Em vez disso, tudo se reúne para formar e manter um disco quente e rapidamente giratório que então espirala em direção ao buraco negro. E, nesse processo, o disco irradia brilhantemente enquanto converte energia gravitacional em calor. O disco é a principal fonte de luz de um buraco negro, e permanece enquanto houver material próximo para ser absorvido pelo vazio.
Uma nova simulação computacional sugere que a existência prolongada desses discos de acreção pode dever-se ao fato de que cada disco é quase completamente controlado pelos campos magnéticos de seus respectivos buracos negros. É possível que esses campos direcionem o gás para formas de disco. Os cientistas dizem que a simulação, que pela primeira vez traçou a jornada do gás primordial desde o início do universo até o ponto em que acaba no disco de acreção de um buraco negro supermassivo, pode ajudá-los a ajustar suas previsões sobre vários aspectos dos discos de acreção, incluindo suas massas, espessuras e as velocidades de queda do material.
“Nossas teorias nos diziam que os discos deveriam ser planos como crepes”, disse Phil Hopkins, um astrofísico teórico do Instituto de Tecnologia da Califórnia, em um comunicado. “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 fofinho.”
Hopkins e sua equipe realizaram o que descrevem como um “super zoom-in” em um buraco negro supermassivo virtual. Para replicar virtualmente a dinâmica do buraco negro, os pesquisadores inseriram informações sobre a física de vários fenômenos cósmicos em escalas galácticas. Estes incluíram equações que governam a gravidade, a matéria escura e a energia escura — esta última sendo substâncias elusivas que compõem a maioria do conteúdo do universo —, bem como estrelas e galáxias. Criar tal simulação não foi apenas um desafio computacional, mas também exigiu um código que pudesse lidar com toda a física complexa, dizem os pesquisadores.
Uma culminação de duas grandes colaborações no Caltech, denominadas FIRE, que se concentra em estruturas em grande escala no universo, e STARFORGE, que examina estruturas em pequena escala, permitiu à equipe criar uma simulação cuja resolução é mil vezes melhor do que seu predecessor, de acordo com o comunicado da universidade. “Construímos de maneira muito modular, para que você pudesse ligar e desligar qualquer uma das partes da física que desejava para um determinado problema, mas todas eram compatíveis entre si”, disse Hopkins.
Usando esse código, os pesquisadores simularam um buraco negro 10 milhões de vezes mais pesado que o nosso Sol, começando no início do universo. A simulação então atravessa um complexo emaranhado de fusão de galáxias antes de se concentrar em um buraco negro supermassivo ativo, ou quasar, circundado por um disco de acreção, que mostra alimentar gás para o buraco negro em taxas comparáveis aos quasares mais brilhantes conhecidos em nosso universo.
Os campos magnéticos podem ser vistos tirando o momento do disco, o que liberta o material para espiralar para dentro até chegar ao horizonte de eventos ou à “superfície” do buraco negro, onde não pode escapar.
“Em nossa simulação, vemos este disco de acreção se formar ao redor do buraco negro”, disse Hopkins no comunicado. “Nós teríamos ficado muito animados se tivéssemos apenas visto esse disco de acreção, mas o que foi muito surpreendente foi que o disco simulado não se parece com o que pensávamos há décadas que deveria parecer.”
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