Credit: NASA’s Goddard Space Flight Center
Modelos como este podem eventualmente ajudar os cientistas a identificar exemplos reais desses poderosos sistemas binários. Crédito: Goddard Space Flight Center da NASA
Gas glows brightly in this computer simulation of supermassive black holes only 40 orbits from merging. Models like this may eventually help scientists pinpoint real examples of these powerful binary systems.
Credits: NASA’s Goddard Space Flight Center
Um novo modelo está aproximando os cientistas da compreensão dos tipos de sinais de luz produzidos quando dois buracos negros supermassivos, que são milhões a bilhões de vezes a massa do Sol, espiralam em direção a uma colisão. Pela primeira vez, uma nova simulação computacional que incorpora totalmente os efeitos físicos da teoria geral da relatividade de Einstein mostra que o gás em tais sistemas irá brilhar predominantemente na luz ultravioleta e na radiografia.
Apenas sobre cada galáxia do tamanho da nossa Via Láctea ou maior contém um buraco negro monstruoso no seu centro. Observações mostram que fusões de galáxias ocorrem com frequência no universo, mas até agora ninguém viu uma fusão desses gigantescos buracos negros.
Os cientistas detectaram a fusão de buracos negros de massa estelar - que variam de cerca de três a várias dezenas de massas solares - usando o Observatório de Ondas Gravitacionais de Interferômetro a Laser da Fundação Nacional de Ciência (LIGO). Ondas gravitacionais são ondulações do espaço-tempo viajando à velocidade da luz. Eles são criados quando objetos em órbita maciços, como buracos negros e estrelas de nêutrons, espiralam juntos e se fundiram.
Fusões supermassivas serão muito mais difíceis de encontrar do que suas primas em massa estelar. Uma razão pela qual os observatórios terrestres não podem detectar ondas gravitacionais a partir desses eventos é porque a própria Terra é muito barulhenta, sacudindo-se de vibrações sísmicas e mudanças gravitacionais de distúrbios atmosféricos. Os detectores devem estar no espaço, como a Antena Espacial de Interferômetro a Laser (LISA), liderada pela ESA (Agência Espacial Européia) e planejada para ser lançada na década de 2030.
Mas binários supermassivos próximos à colisão podem ter uma coisa que falta binários de massa estelar - um ambiente rico em gás. Os cientistas suspeitam que a explosão da supernova que cria um buraco negro estelar também afugenta a maior parte do gás circundante. O buraco negro consome o pouco que resta tão rapidamente que não resta muito a brilhar quando a fusão acontece.
Binários supermassivos, por outro lado, resultam de fusões de galáxias. Cada buraco negro supersized traz ao longo de uma comitiva de nuvens de gás e poeira, estrelas e planetas. Os cientistas acreditam que uma colisão de galáxias impulsiona grande parte desse material em direção aos buracos negros centrais, que o consomem em uma escala de tempo semelhante à necessária para a fusão do binário. À medida que os buracos negros se aproximam, as forças magnéticas e gravitacionais aquecem o gás restante, produzindo astrônomos de luz capazes de enxergar.
A nova simulação mostra três órbitas de um par de buracos negros supermassivos a apenas 40 órbitas da fusão. Os modelos revelam que a luz emitida nesta fase do processo pode ser dominada pela luz ultravioleta com alguns raios X de alta energia, semelhantes ao que é visto em qualquer galáxia com um buraco negro supermassivo bem alimentado.
Três regiões de gás emissor de luz brilham quando os buracos negros se fundem, todos conectados por correntes de gás quente: um anel grande rodeando todo o sistema, chamado disco circumbinário, e dois menores em torno de cada buraco negro, chamados mini-discos. Todos esses objetos emitem predominantemente luz UV. Quando o gás flui em um mini disco a uma taxa alta, a luz UV do disco interage com a coroa de cada buraco negro, uma região de partículas subatômicas de alta energia acima e abaixo do disco. Essa interação produz raios-X. Quando a taxa de acréscimo é menor, a luz UV diminui em relação aos raios X.
Com base na simulação, os pesquisadores esperam que os raios X emitidos por uma fusão próxima sejam mais brilhantes e mais variáveis do que os raios X observados em buracos negros supermassivos isolados. O ritmo das mudanças liga-se tanto à velocidade orbital do gás, localizada na borda interna do disco circumbinário, quanto à dos buracos negros que se fundem.
A simulação foi veiculada no supercomputador Blue Waters, da National Center for Supercomputing Applications, na Universidade de Illinois em Urbana-Champaign. A modelagem de três órbitas do sistema levou 46 dias em 9.600 núcleos de computação.
This 360-degree video places the viewer in the middle of two circling supermassive black holes around 18.6 million miles (30 million kilometers) apart with an orbital period of 46 minutes. The simulation shows how the black holes distort the starry background and capture light, producing black hole silhouettes. A distinctive feature called a photon ring outlines the black holes. The entire system would have around 1 million times the Sun’s mass.
Credits: NASA’s Goddard Space Flight Center; background, ESA/Gaia/DPAC
Fontes: NASA Goddard / Rochester Institute of Technology.
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