Tecnologia Científica
Uma primeira demonstração definitiva de aceleração de partículas não térmicas em turbulência magnetorrotacional
Pesquisadores da Universidade do Colorado, Boulder; KU Leuven; Flatiron Institute e da Universidade de Wisconsin-Madison recentemente se propuseram a responder a uma questão de pesquisa de longa data, especificamente...
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Ingrid Fadelli - 14/08/2024
Distribuição espacial da densidade de corrente de plasma durante turbulência magnetorrotacional não linear e estável no fluxo de acreção ao redor de um buraco negro supermassivo. Nessa turbulência, partículas carregadas (elétrons e íons) podem ser aceleradas eficientemente para energias muito altas (até mesmo relativísticas). Elétrons acelerados podem atingir energias altas o suficiente para ativar processos radiativos, resultando na emissão de luz que pode ser finalmente observada da Terra. Crédito: Bacchini et al.
Pesquisadores da Universidade do Colorado, Boulder; KU Leuven; Flatiron Institute e da Universidade de Wisconsin-Madison recentemente se propuseram a responder a uma questão de pesquisa de longa data, especificamente se partículas carregadas nos fluxos turbulentos que comumente cercam buracos negros e outros objetos compactos podem ser aceleradas a energias muito altas.
O artigo, publicado na Physical Review Letters , descreve os resultados de simulações extensivas que eles executaram, que demonstram a aceleração não térmica de partículas na turbulência magnetorrotacional cinética que ocorre naturalmente em plasmas.
"Uma questão em aberto no campo da astrofísica de plasma de buracos negros é: Partículas carregadas (por exemplo, elétrons e íons) em fluxos turbulentos ao redor de buracos negros podem ser aceleradas a energias muito altas?" Fabio Bacchini, autor principal do artigo, disse ao Phys.org. "Essa questão tem implicações muito profundas para nossa compreensão dos ambientes extremos encontrados ao redor de buracos negros, como aqueles observados recentemente, por exemplo, pela Event Horizon Telescope Collaboration."
Para responder a essa pergunta-chave sobre a aceleração de partículas carregadas em fluxos turbulentos, Bacchini e seus colegas primeiro tiveram que modelar a turbulência no ambiente extremo ao redor dos buracos negros. Esses ambientes únicos são caracterizados pela chamada instabilidade magnetorrotacional (MRI), um poderoso processo de amplificação de campo magnético que ocorre naturalmente em plasmas que são submetidos a cisalhamentos e outras forças encontradas no ambiente ao redor dos buracos negros.
"Se você olhar para isso como um processo isolado, a ressonância magnética evolui por vários estágios e eventualmente atinge um 'estado saturado turbulento' (ou seja, um estado turbulento onde a ressonância magnética amplifica os campos magnéticos enquanto esses campos são continuamente destruídos por mecanismos de dissipação)", disse Bacchini.
"Esse estado pode ser essencialmente mantido para sempre, e achamos que esse é o estado em que os plasmas são comumente encontrados ao redor de buracos negros. Então, nós criamos uma simulação onde modelamos a evolução da ressonância magnética até o estágio turbulento."
Após simularem a evolução da IRM levando à turbulência, Bacchini e seus colegas estavam prontos para abordar sua questão inicial de pesquisa. Conforme eles simulavam a IRM ao longo de seus vários estágios, no entanto, as partículas carregadas em suas simulações já eram afetadas pela dinâmica que ocorria no sistema antes de atingir a turbulência.
"Não é possível realmente responder à pergunta, porque as partículas nas simulações 'lembram' o que aconteceu antes do estado turbulento (incluindo qualquer aceleração que elas tiveram), e sua evolução através da turbulência subsequente não é independente desses estágios pré-turbulência", disse Bacchini.
"O principal objetivo deste trabalho foi estudar a aceleração de partículas na turbulência de forma independente das condições iniciais, para poder responder à questão acima sem 'poluição' de estágios pré-turbulência que não seriam realmente observados na natureza de forma tão isolada (mas que necessariamente ocorrem em simulações)."
Essencialmente, o principal objetivo do trabalho recente de Bacchini e seus colegas foi identificar uma estratégia eficiente para remover os efeitos da pré-turbulência, para que pudessem usar suas simulações para medir seletivamente a aceleração de partículas na fase de turbulência.
Eles finalmente conseguiram desenvolver um método (baseado na dinâmica radiativa motivada fisicamente) para suprimir esses efeitos de pré-turbulência; no entanto, para responder à sua pergunta de pesquisa inicial, eles também tiveram que atingir os maiores tamanhos possíveis de sistema físico.
"Descobrimos anteriormente que simular a ressonância magnética em sistemas físicos muito pequenos (e especialmente se não capturam a tridimensionalidade) produz resultados muito irrealistas", disse Bacchini.
"Por exemplo, se o tamanho do sistema for muito pequeno, a ressonância magnética nem mesmo desenvolve turbulência. Portanto, precisávamos de caixas de simulação 3D extremamente grandes, muito maiores do que qualquer coisa que já foi alcançada antes. Isso implicava ter um código de simulação que pudesse executar simulações tão grandes por um tempo muito longo e, então, realmente executar as simulações em um supercomputador adequado."
Bacchini e seus colegas executaram seu código de computador de forma muito eficiente em mais de 250.000 CPUs no Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) por várias semanas contínuas. Isso permitiu que eles simulassem um sistema grande o suficiente para reproduzir realisticamente a dinâmica da ressonância magnética.
"A IRM foi simulada anteriormente por meio de abordagens 'fluídas'", disse Bacchini. "Esses modelos teóricos são perspicazes para capturar fenômenos de plasma em larga escala, mas não contêm informações sobre partículas únicas (portanto, não podem ser usados para responder à pergunta acima).
"Para nossos propósitos, precisávamos simular a ressonância magnética com uma abordagem 'cinética', ou seja, capturando a dinâmica de partículas individuais. Para realismo, também precisávamos evoluir muitas partículas (na ordem de 50 bilhões) por um tempo muito longo."
Propriedades da turbulência da ressonância magnética de mesoescala. Crédito: Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.045202
Os pesquisadores foram, portanto, capazes de obter uma descrição dos primeiros princípios da evolução da IRM. Essa descrição, que delineou tanto o comportamento de fluidos em larga escala quanto fenômenos em escala de partículas, finalmente os ajudou a responder à sua questão de pesquisa.
Bacchini e seus colegas foram capazes de demonstrar diretamente que partículas podem de fato ser aceleradas dentro da turbulência de plasma conduzida por MRI, agnosticamente das condições iniciais de simulação. Em suas simulações, eles observaram partículas começando em energias relativamente baixas, comparáveis àquelas associadas ao plasma comumente encontrado na Terra, mas então atingindo energias extremamente altas nas quais os efeitos relativísticos entram em jogo.
"Basicamente, essas partículas atingem velocidades muito próximas à velocidade da luz", disse Bacchini. "A energia necessária para essa aceleração vem de campos magnéticos, que dissipam seu reservatório de energia por meio da cascata turbulenta que modelamos.
"É comumente acreditado que quantidades massivas de energia são armazenadas em campos magnéticos de larga escala ao redor de buracos negros. Esses campos magnéticos podem ser criados e amplificados por meio de processos como a ressonância magnética, alimentando-se da energia gravitacional do buraco negro.
"Nosso trabalho mostra essencialmente que essa energia magnética e gravitacional pode ser aproveitada, resultando em partículas altamente energéticas aceleradas por turbulência induzida por ressonância magnética."
Nas energias notavelmente altas simuladas por Bacchini e seus colegas, as partículas podem começar a emitir radiação (ou seja, fótons), que podem ser observadas usando instrumentos específicos. Alguns físicos sugeriram que esse era o tipo de emissão captada pelo Event Horizon Telescope ao redor de alguns buracos negros supermassivos, incluindo M87*.
"Fizemos as maiores simulações de ressonância magnética com descrições cinéticas até o momento, que também mostram como a dinâmica cinética reproduz a dinâmica fluida em escalas grandes o suficiente", disse Bacchini. "Fizemos diagnósticos nessa direção, observando, por exemplo, que a aceleração de partículas ao longo ou transversalmente em relação à direção do campo magnético local contribui fortemente para redistribuir o momento angular por todo o plasma turbulento.
"Isso nos ajuda a entender como os 'fluxos de acreção' (ou seja, fluxos de plasma espiralando e caindo lentamente em buracos negros) podem existir, já que a acreção em si implica a existência de mecanismos de redistribuição do momento angular."
Embora grandes telescópios na Terra tenham detectado radiação ao redor de buracos negros nos últimos anos, sua origem permanece mal compreendida. As simulações executadas por esta equipe de pesquisadores podem contribuir para a compreensão de como essa radiação na vizinhança imediata de buracos negros é produzida.
"Entender essa emissão é extremamente importante porque a radiação (luz) carrega informações sobre esses ambientes extremos, e é uma das poucas fontes de informação que temos sobre eles. (Não podemos realmente enviar sondas para buracos negros, já que não há buracos negros perto da Terra...)", explicou Bacchini.
"Ainda mais importante, ao entender a dinâmica do plasma e a radiação subsequente próxima a um buraco negro, podemos obter informações sobre o próprio buraco negro, sobre sua massa, sobre seu giro, etc., que influenciam a dinâmica do plasma e que consideramos em simulações."
Ao potencialmente enriquecer a compreensão da dinâmica do plasma e da radiação na vizinhança de buracos negros , a metodologia empregada por Bacchini e seus colegas poderia permitir que os físicos testassem indiretamente a teoria da relatividade geral de Einstein. Antes que isso possa ser alcançado, no entanto, a equipe precisará executar várias outras simulações.
"Essas execuções empregaram uma série de simplificações para torná-las viáveis", disse Bacchini. "Mais notavelmente, assumimos que a composição do plasma era feita de pares (elétrons e pósitrons, que têm a mesma massa) para simplificar. Isso nos permite ainda recuperar a dinâmica global correta e sondar a aceleração de partículas até certo ponto, mas em sistemas realistas deve-se considerar a presença de elétrons e de prótons (muito) mais massivos.
"Isso aumenta o esforço computacional necessário em ordens de magnitude, porque partículas de massas diferentes causam fenômenos cinéticos em diferentes escalas espaço-temporais, e você tem que capturar todas essas escalas em uma simulação."
O grupo de Bacchini na KU Leuven está atualmente trabalhando em simulações adicionais e maiores que também incluem elétrons e prótons. Eles esperam que essas simulações em breve permitam que eles abordem sua questão de pesquisa inicial relacionada à aceleração de partículas em turbulência próxima ao buraco negro com precisão ainda maior.
"Outras direções possíveis para pesquisas futuras são a inclusão direta de processos radiativos (que podem modificar a dinâmica do plasma em si) em nossas simulações e a inclusão da estratificação (considerando essencialmente que o plasma altera a densidade para longe do plano equatorial do buraco negro)", acrescentou Bacchini.
"Este último em particular foi explorado pela primeira vez em um trabalho recente liderado por colaboradores no Chile, e ainda há muito mais a ser feito."
Mais informações: Fabio Bacchini et al, Turbulência magnetorrotacional sem colisão em plasmas em pares: dinâmica de estado estacionário, aceleração de partículas e resfriamento radiativo, Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.045202 . No arXiv : DOI: 10.48550/arxiv.2401.01399
Informações do periódico: Physical Review Letters , arXiv
