Após décadas de progresso constante, os astrofísicos computacionais alcançaram um importante ponto de virada na pesquisa sobre buracos negros. Um novo estudo apresenta o modelo mais detalhado e completo até agora sobre a acreção luminosa de buracos negros, o processo pelo qual buracos negros atraem matéria ao seu redor e emitem intensa radiação. Usando alguns dos supercomputadores mais poderosos do mundo, os pesquisadores calcularam com sucesso como a matéria flui para os buracos negros, levando em conta tanto a teoria da gravidade de Einstein quanto o papel dominante da radiação, sem confiar em atalhos simplificadores.
Essa conquista marca a primeira vez que tais cálculos foram realizados em plena relatividade geral sob condições dominadas por radiação. Os resultados abrem uma nova janela para entender como os buracos negros se comportam em ambientes extremos que antes estavam fora do alcance das simulações.
Quem Liderou a Pesquisa e Onde Foi Publicada
O estudo foi publicado na The Astrophysical Journal e foi liderado por cientistas do Institute for Advanced Study e do Flatiron Institute’s Center for Computational Astrophysics. Trata-se do primeiro artigo de uma série planejada que introduzirá a nova estrutura computacional da equipe e a aplicará 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 simplificadora pode mudar completamente o resultado. O que mais entusiasma é que nossas simulações agora reproduzem comportamentos notavelmente consistentes em sistemas de buracos negros observados no céu, desde fontes de raios-X ultra-luminosas 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 um pesquisador pós-doutoral conjunto na School of Natural Sciences do Institute for Advanced Study e no Center for Computational Astrophysics do Flatiron Institute. Ele começou o projeto durante seu primeiro ano no IAS (2023-24) e continuou o trabalho no Flatiron.
Por que 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 desses objetos dobra o espaço e o tempo de maneiras extremas. Mas a gravidade sozinha 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 curvado e interage com o gás próximo é essencial para entender o que os astrônomos realmente observam.
Até agora, as simulações não conseguiam lidar plenamente com essa combinação de efeitos. Assim como modelos simplificados em sala de aula que capturam apenas parte de um sistema real, abordagens anteriores basearam-se em suposições que tornaram os cálculos gerenciáveis, mas incompletos.
“Métodos anteriores usaram aproximações que tratam a radiação como uma espécie de fluido, o que não reflete seu comportamento real,” explicou Zhang.
Resolvendo as Equações Completas Sem Atalhos
Aquelas aproximações eram uma vez inevitáveis porque as equações subjacentes são extraordinariamente complexas e demandam enormes recursos computacionais. Combinando insights desenvolvidos ao longo de muitos anos, a equipe criou novos algoritmos capazes de resolver essas equações diretamente, sem aproximações.
“Nosso é o único algoritmo que existe no momento que fornece uma solução tratando a radiação como realmente é na relatividade geral,” disse Zhang.
Esse avanço permite que os pesquisadores simulem ambientes de buracos negros com um nível de realismo que antes era impossível.
Focando em Buracos Negros de Massa Estelar
O estudo foca em buracos negros de massa estelar, que normalmente têm cerca de 10 vezes a massa do Sol. Esses objetos são muito menores do que Sgr A*, o buraco negro supermassivo no centro da Via Láctea, mas oferecem vantagens únicas para estudo.
Embora os astrônomos tenham produzido imagens detalhadas de buracos negros supermassivos, buracos negros de massa estelar aparecem apenas como pequenos pontos de luz. Os cientistas devem analisar a luz emitida, dividindo-a em um espectro, que revela como a energia está distribuída ao redor do buraco negro. Como buracos negros de massa estelar evoluem em minutos a horas, em vez de anos ou séculos, eles permitem que os pesquisadores observem mudanças rápidas em tempo real.
Simulações Que Correspondem a Observações Reais
Usando seu novo modelo, os pesquisadores acompanharam como a matéria espirala para dentro, formando discos turbulentos e dominados por radiação ao redor de buracos negros de massa estelar. As simulações também mostraram ventos fortes fluindo para fora e, em alguns casos, a formação de jatos poderosos.
Crucialmente, os espectros de luz simulados corresponderam de perto ao que os astrônomos observam em sistemas reais. Essa forte correspondência torna possível tirar conclusões mais confiantes a partir de dados observacionais limitados e aprofunda a compreensão dos cientistas sobre como esses objetos distantes operam.
Supercomputadores Impulsionando o Avanço
O Institute for Advanced Study tem uma longa história de avanço da ciência por meio de modelagem computacional. Um dos primeiros marcos foi o Electronic Computer Project liderado pelo professor fundador (1933-55) John von Neumann, que influenciou campos que vão desde dinâmica de fluidos até ciência climática e física nuclear.
Dando continuidade a essa tradição, Zhang e seus colegas tiveram acesso a dois dos supercomputadores mais poderosos do mundo, Frontier no Oak Ridge National Laboratory e Aurora no Argonne National Laboratory. Essas máquinas exascale podem realizar um quintilhão de cálculos por segundo e ocupam milhares de pés quadrados – lembrando o tamanho maciço dos primeiros computadores.
Aproveitar esse poder computacional exigiu matemática sofisticada e software projetado especificamente para a tarefa. Christopher White, do Flatiron Institute e da Princeton University, liderou o desenvolvimento do algoritmo de transporte de radiação. Patrick Mullen, membro (2021-22) na School of Natural Sciences e agora no Los Alamos National Laboratory, liderou a integração desse algoritmo no código AthenaK, que é otimizado para sistemas exascale.
O Que Vem a Seguir para a Pesquisa de Buracos Negros
A equipe planeja testar se sua abordagem pode ser aplicada a todos os tipos de buracos negros. Além de sistemas de massa estelar, as simulações também podem lançar uma nova luz sobre buracos negros supermassivos, que desempenham um papel central na formação de galáxias. Trabalhos futuros terão como objetivo refinar ainda mais como a radiação interage com a matéria em uma ampla gama de temperaturas e densidades.
“O que torna este projeto único é, por um lado, o tempo e o esforço que foi necessário para desenvolver a matemática aplicada e o software capaz de modelar esses sistemas complexos e, por outro lado, ter uma grande alocação nos supercomputadores mais poderosos do mundo para realizar esses cálculos,” disse o coautor James Stone, professor na School of Natural Sciences do Institute for Advanced Study. “Agora a tarefa é entender toda a ciência que está surgindo disso.”
