Esta simulação revela o que realmente acontece perto de buracos negros

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 ambientes extremos que antes estavam fora do alcance das simulações.

Quem liderou a pesquisa e onde ela foi publicada

O estudo foi publicado em O Jornal Astrofísico e liderado por cientistas do Instituto de Estudos Avançados e do Centro de Astrofísica Computacional do Instituto Flatiron. Representa 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 acreção de buracos negros são incluídos com precisão. Esses sistemas são extremamente não lineares – qualquer suposição simplificada pode mudar completamente o resultado. O que é mais emocionante é que nossas simulações agora reproduzem comportamentos notavelmente consistentes em sistemas de buracos negros vistos no céu, desde fontes ultraluminosas de raios X até binários de raios X. De certa forma, conseguimos ‘observar’ esses sistemas não através de um telescópio, mas através de um computador”, disse o autor principal, Lizhong Zhang.

Zhang é pesquisador conjunto de pós-doutorado 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 deu continuidade ao trabalho na Flatiron.

Por que os modelos de buracos negros precisam de relatividade e radiação

Qualquer modelo realista de um buraco negro deve incluir 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 grandes quantidades de matéria caem em direção a um buraco negro, uma enorme energia é liberada na forma de radiação. Rastrear com precisão como essa radiação se move através do espaço-tempo curvo e interage com o gás próximo é essencial para entender o que os astrônomos realmente observam.

Até agora, as simulações não conseguiam lidar totalmente com esta combinação de efeitos. Tal como os modelos simplificados de sala de aula que capturam apenas parte de um 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 reflete seu comportamento real”, explicou Zhang.

Resolvendo as equações completas sem atalhos

Essas aproximações já foram inevitáveis ​​porque as equações subjacentes são extraordinariamente complexas e exigem enormes recursos computacionais. Ao combinar insights desenvolvidos ao longo de muitos anos, a equipe criou novos algoritmos capazes de resolver essas equações diretamente, sem aproximações.

“O nosso é o único algoritmo que existe no momento que fornece uma solução tratando a radiação como ela realmente é na relatividade geral”, disse Zhang.

Esta descoberta permite aos investigadores simular ambientes de buracos negros com um nível de realismo que antes era impossível.

Foco em buracos negros de massa estelar

O estudo concentra-se em buracos negros de massa estelar, que normalmente têm cerca de 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 emitida dividindo-a num espectro, que revela como a energia é distribuída em torno do buraco negro. Como os buracos negros de massa estelar evoluem ao longo de minutos a horas, em vez de anos ou séculos, eles permitem aos investigadores observar mudanças rápidas em tempo real.

Simulações que correspondem a observações reais

Usando o seu novo modelo, os investigadores seguiram 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 soprando para fora e, em alguns casos, a formação de jatos poderosos.

Crucialmente, os espectros de luz simulados correspondiam de perto ao que os astrónomos observam em sistemas reais. Este forte acordo torna possível tirar conclusões mais seguras a partir de dados observacionais limitados e aprofunda a compreensão dos cientistas sobre como funcionam estes objetos distantes.

Supercomputadores impulsionando a inovação

O Instituto de Estudos Avançados tem uma longa história de avanço da ciência por meio de modelagem computacional. Um marco inicial 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 essa tradição, Zhang e seus colegas tiveram acesso a dois dos supercomputadores mais poderosos do mundo, Frontier no Laboratório Nacional de Oak Ridge e Aurora no Laboratório Nacional de Argonne. Essas máquinas em exaescala podem realizar quintilhões de cálculos por segundo e ocupar milhares de metros quadrados – lembrando o enorme tamanho dos primeiros computadores.

Aproveitar esse poder computacional exigiu matemática sofisticada e software projetado especificamente para a tarefa. Christopher White, do Flatiron Institute e da Universidade de Princeton, liderou o desenvolvimento do algoritmo de transporte de radiação. Patrick Mullen, membro (2021-22) 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 exaescala.

O que vem a seguir para a pesquisa do buraco negro

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 podem lançar nova luz sobre os buracos negros supermassivos, que desempenham um papel central na formação de galáxias. Trabalhos futuros irão refinar ainda mais a forma 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 necessários para desenvolver a matemática aplicada e o software capaz de modelar estes sistemas complexos e, por outro lado, ter uma alocação muito grande nos maiores supercomputadores do mundo para realizar estes cálculos”, disse o coautor James Stone, professor da Escola de Ciências Naturais do Instituto de Estudos Avançados. “Agora a tarefa é compreender toda a ciência que resulta disso.