Um grupo de pesquisadores da University of Oxford e da University of Amsterdam apresentou nesta quarta-feira (18), um novo arcabouço computacional capaz de simular, com alto grau de detalhamento, a dinâmica microscópica de partículas em jatos astrofísicos — estruturas colimadas que emergem de ambientes extremos como núcleos ativos de galáxias e binárias de raios X.

O trabalho, publicado no The Open Journal of Astrophysics, descreve a segunda etapa do projeto DIPLODOCUS (Distribution-In-PLateaux methODOlogy for the CompUtation of transport equationS), agora implementado como pacote de código aberto em linguagem Julia. O artigo é assinado por Christopher N. Everett e Garret Cotter, da Universidade de Oxford, e por Marc Klinger-Plaisier, do Anton Pannekoek Institute for Astronomy, em Amsterdã.

O objetivo central da ferramenta é modelar o transporte de partículas no chamado espaço de fase — um domínio matemático de sete dimensões que combina três coordenadas espaciais, três de momento e o tempo. É nesse espaço que ocorrem colisões, emissões radiativas e interações com campos eletromagnéticos.

“Queremos relacionar o transporte microscópico de partículas às assinaturas observáveis, como espectros de emissão”, escrevem os autores. Segundo Everett, em contato por e-mail com a revista, “a ambição é conectar a física fundamental das colisões com aquilo que os telescópios realmente medem”.

O pacote é dividido em três módulos: um responsável por calcular matrizes de colisão via integração de Monte Carlo; outro que resolve a evolução temporal das partículas sob forças contínuas; e um terceiro voltado à visualização gráfica dos resultados.

Um dos avanços destacados no estudo é o uso de uma técnica de amostragem Monte Carlo adaptativa para pré-computar integrais de colisão anisotrópicas — um problema matemático de alta dimensionalidade.

Enquanto métodos tradicionais de quadratura perdem eficiência à medida que o número de dimensões cresce, a integração Monte Carlo mantém erro estatístico proporcional a N ¹ ², independentemente da dimensionalidade. “Em integrais com muitas variáveis, como as que descrevem colisões binárias relativísticas, métodos baseados em grade tornam-se impraticáveis”, apontam os autores, citando literatura clássica da área.

O novo esquema inclui um mecanismo de ponderação por “rapidez” relativística para melhorar a amostragem angular de partículas espalhadas, especialmente em processos como espalhamento Compton inverso — crucial para modelar jatos de blazares.

O artigo apresenta uma série de testes numéricos que avaliam a robustez do código em cenários físicos conhecidos:

Colisões elásticas de esferas duras: partículas inicialmente concentradas em um único intervalo de momento evoluem para uma distribuição térmica do tipo Maxwell-Jüttner, com conservação de número e energia até a precisão de máquina.

Giração e deriva de elétrons: sob campos magnéticos e elétricos uniformes, o código reproduz o período giroscópico teórico e a velocidade de deriva  = E/B.

Os experimentos foram executados em um desktop com processador Intel i7 de 20 núcleos e 64 GB de RAM. A parte de colisões utiliza precisão de 64 bits e paralelização; o módulo de transporte, 32 bits.

Jatos relativísticos estão entre os fenômenos mais energéticos do Universo. Em núcleos ativos de galáxias, alimentados por buracos negros supermassivos, eles podem se estender por milhares de anos-luz. Em binárias de raios X, surgem da interação entre uma estrela e um objeto compacto.

Modelar a microfísica dessas estruturas é essencial para interpretar dados de observatórios em rádio, óptico, raios X e gama. Pequenas variações na distribuição angular ou energética de partículas podem alterar significativamente o espectro observado.

Segundo os autores, a principal contribuição do DIPLODOCUS é oferecer um arcabouço geral e expansível, no qual novas interações podem ser incorporadas sem a necessidade de reescrever algoritmos específicos de amostragem.

A próxima etapa do projeto, descrita como “Paper III”, deverá tratar de efeitos macroscópicos — como advecção espacial e escalabilidade em sistemas de alto desempenho computacional.

Se a promessa se confirmar, o código poderá se tornar uma nova referência para a astrofísica de altas energias, ao integrar rigor matemático, flexibilidade numérica e acesso aberto à comunidade científica.