Após décadas de progresso constante, os astrofísicos computacionais atingiram um ponto de virada significativo na pesquisa sobre buracos negros. Um novo estudo apresenta o modelo mais detalhado e completo até agora de acreção luminosa de buracos negros, o processo pelo qual buracos negros atraem matéria circundante e emitem radiação intensa. Utilizando alguns dos supercomputadores mais poderosos da Terra, 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 recorrer a 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 liderado por cientistas do Institute for Advanced Study e do Center for Computational Astrophysics do Flatiron Institute. Representa o primeiro artigo de uma série planejada que apresentará 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 é mais empolgante é que nossas simulações agora reproduzem comportamentos notavelmente consistentes entre os sistemas de buracos negros observados no céu, desde fontes de raios X ultraluminosas 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 bolsista de pós-doutorado conjunto na Escola de Ciências Naturais do Institute for Advanced Study e no Center for Computational Astrophysics do Flatiron Institute. Ele iniciou o projeto durante seu primeiro ano no IAS (2023-24) e continuou o trabalho no 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 desses objetos curva 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 quantidade de 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 circundante é essencial para entender o que os astrônomos realmente observam.
Até agora, as simulações não conseguiam lidar completamente com essa combinação de efeitos. Como modelos simplificados de sala de aula que capturam apenas parte de um sistema real, as abordagens anteriores dependiam de suposições que tornavam os cálculos gerenciáveis, mas incompletos.
“Os métodos anteriores usavam aproximações que tratavam a radiação como uma espécie de fluido, o que não reflete seu comportamento real,” explicou Zhang.
Resolvendo as Equações Completas Sem Atalhos
Essas aproximações foram uma vez inevitáveis porque as equações subjacentes são extraordinariamente complexas e demandam 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.
“Nosso algoritmo é o único que existe atualmente 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 se concentra em buracos negros de massa estelar, que normalmente possuem cerca de 10 vezes a massa do Sol. Esses objetos são muito menores 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, os buracos negros de massa estelar aparecem apenas como pequenos pontos de luz. Os cientistas devem analisar a luz emitida quebrando-a em um espectro, que revela como a energia está distribuída ao redor do buraco negro. Como os 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 fortes ventos fluindo para fora e, em alguns casos, a formação de potentes jatos.
Crucialmente, os espectros de luz simulados coincidiram de perto com o que os astrônomos observam em sistemas reais. Essa forte concordância torna possível tirar conclusões mais confiantes a partir de dados observacionais limitados e aprofunda a compreensão dos cientistas sobre como esses objetos distantes funcionam.
Supercomputadores Impulsionando o Avanço
O Institute for Advanced Study tem uma longa história de avanço da ciência através da 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 a dinâmica de fluidos até a ciência do clima e a 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 – relembrando o tamanho maciço dos primeiros computadores.
Para aproveitar esse poder computacional, foram necessárias matemáticas sofisticadas e softwares projetados 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) na Escola de Ciências Naturais e agora no Laboratório Nacional de Los Alamos, liderou a integração desse algoritmo ao código AthenaK, que é otimizado para sistemas exascale.
O Que Vem a Seguir na Pesquisa sobre Buracos Negros
A equipe planeja testar se sua abordagem pode ser aplicada a todos os tipos de buracos negros. Além dos sistemas de massa estelar, as simulações podem também lançar novas luzes sobre buracos negros supermassivos, que desempenham um papel central na configuração das galáxias. Trabalhos futuros irão 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 necessários para desenvolver a matemática aplicada e o software capazes de modelar esses sistemas complexos, e, por outro lado, ter uma alocação muito grande nos maiores supercomputadores do mundo para realizar esses cálculos,” disse o coautor James Stone, professor na Escola de Ciências Naturais do Institute for Advanced Study. “Agora a tarefa é entender toda a ciência que está surgindo a partir disso.”