Tecnologia Científica

Simulações de buracos negros fornecem plantas para observações futuras
Os astrônomos continuam a desenvolver simulações de computador para ajudar os futuros observatórios a se identificarem melhor com os buracos negros, os habitantes mais esquivos do universo.
Por Emma Edmund - 27/05/2021


A primeira imagem de um buraco negro mostra o núcleo da galáxia Messier 87 conforme resolvido por ondas de rádio pelo Event Horizon Telescope em 2019. Crédito: National Science Foundation / Event Horizon Telescope Consortium

Os astrônomos continuam a desenvolver simulações de computador para ajudar os futuros observatórios a se identificarem melhor com os buracos negros, os habitantes mais esquivos do universo.

Embora os buracos negros provavelmente existam em abundância no universo, eles são notoriamente difíceis de ver. Os cientistas não capturaram a primeira imagem de rádio de um buraco negro até 2019, e apenas cerca de quatro dúzias de fusões de buracos negros foram detectadas por meio de suas ondulações gravitacionais características desde a primeira detecção em 2015.

Não são muitos dados para trabalhar. Assim, os cientistas procuram simulações de buracos negros para obter uma visão crucial que ajudará a encontrar mais fusões com missões futuras. Algumas dessas simulações, criadas por cientistas como o astrofísico Scott Noble, rastreiam sistemas binários de buracos negros supermassivos . É aí que dois buracos negros monstruosos como os encontrados no centro das galáxias orbitam próximos um do outro até que finalmente se fundam.

As simulações, criadas por computadores trabalhando por meio de conjuntos de equações complicadas demais para serem resolvidas manualmente, ilustram como a matéria interage em ambientes de fusão. Os cientistas podem usar o que aprenderam sobre fusões de buracos negros para identificar algumas características reveladoras que os permitem distinguir fusões de buracos negros de eventos estelares. Os astrônomos podem então procurar por esses sinais reveladores e detectar fusões de buracos negros na vida real .

Noble, que trabalha no Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Maryland, disse que esses sistemas binários emitem ondas gravitacionais e influenciam os gases circundantes, levando a shows de luz únicos detectáveis ​​com telescópios convencionais. Isso permite que os cientistas aprendam sobre diferentes aspectos do mesmo sistema. As observações de multimensageiros que combinam diferentes formas de luz ou ondas gravitacionais podem permitir aos cientistas refinar seus modelos de sistemas binários de buracos negros.

"Temos contado com a luz para ver tudo o que existe", disse Noble. "Mas nem tudo emite luz, então a única maneira de 'ver' diretamente dois buracos negros é por meio das ondas gravitacionais que eles geram. As ondas gravitacionais e a luz do gás circundante são formas independentes de aprender sobre o sistema, e a esperança é que eles vai se encontrar no mesmo ponto. "
 
Simulações binárias de buracos negros também podem ajudar na missão da Antena Espacial do Interferômetro Laser (LISA). Este observatório de ondas gravitacionais baseado no espaço, liderado pela Agência Espacial Europeia com contribuições significativas da NASA, deve ser lançado em 2034. Se as simulações determinarem quais características eletromagnéticas distinguem um sistema de buraco negro binário de outros eventos, os cientistas poderão detectar esses sistemas antes do LISA voa, disse Noble. Essas observações podem ser confirmadas por meio de detecções adicionais assim que o LISA for iniciado.

Isso permitiria aos cientistas verificar se o LISA está funcionando, observar os sistemas por um período mais longo antes de eles se fundirem, prever o que vai acontecer e testar essas previsões.

"Nunca fomos capazes de fazer isso antes", disse Noble. "Isso é realmente emocionante."

As simulações contam com um código que descreve como a densidade e a pressão do plasma mudam em regiões de forte gravidade próximas a um único buraco negro ou estrela de nêutrons, disse Noble. Ele modificou o código para permitir a evolução de dois buracos negros.

Noble está trabalhando com Goddard e parceiros universitários, incluindo Bernard Kelly da University of Maryland, Manuela Campanelli liderando uma equipe de pesquisadores no Rochester Institute of Technology e Julian Krolik liderando uma equipe de pesquisa da Johns Hopkins University.

Kelly cria simulações usando uma abordagem especial chamada simulação de punção móvel.

Essas simulações permitem que os cientistas evitem representar uma singularidade dentro do horizonte de eventos - a parte do buraco negro da qual nada pode escapar, disse Kelly. Tudo fora desse horizonte de eventos evolui, enquanto os objetos internos permanecem congelados desde o início da simulação. Isso permite aos cientistas ignorar o fato de que eles não sabem o que acontece dentro de um horizonte de eventos.

Para imitar situações da vida real, onde os buracos negros acumulam discos de acreção de gás, poeira e matéria difusa, os cientistas precisam incorporar código adicional para rastrear como o material ionizado interage com os campos magnéticos.

Esta visualização dos dados do supercomputador mostra o brilho de raios-X do
disco de acreção interno de um buraco negro. Crédito:
NASA Goddard / Jeremy Schnittman / Scott Noble

"Estamos tentando unir de forma contínua e correta diferentes códigos e métodos de simulação para produzir uma imagem coerente", disse Kelly.

Em 2018, a equipe publicou uma análise de uma nova simulação no The Astrophysical Journal que incorporou totalmente os efeitos físicos da teoria geral da relatividade de Einstein para mostrar os efeitos de uma fusão no ambiente ao seu redor. A simulação estabeleceu que o gás em sistemas binários de buracos negros brilhará predominantemente em luz ultravioleta e raios-X.

As simulações também mostraram que os discos de acreção nesses sistemas não são completamente lisos. Forma-se um aglomerado denso orbitando o binário e, sempre que um buraco negro se aproxima, retira matéria do aglomerado. Essa colisão aquece a matéria, produzindo um sinal brilhante e criando uma flutuação de luz observável.

Além de melhorar a confiança na precisão das simulações, o astrofísico de Goddard Jeremy Schnittman disse que eles também precisam ser capazes de aplicar o mesmo código de simulação a um único buraco negro ou binário e mostrar as semelhanças e também as diferenças entre os dois sistemas .

"A simulação vai nos dizer como os sistemas devem ser", disse Schnittman. "LISA funciona mais como uma antena de rádio do que como um telescópio óptico. Vamos ouvir algo no universo e obter sua direção básica, mas nada muito preciso. O que temos que fazer é pegar outros telescópios e olhar naquela parte do céu, e as simulações vão nos dizer o que procurar para encontrar um buraco negro em fusão. "

Kelly disse que o LISA será mais sensível a frequências de ondas gravitacionais mais baixas do que o atual observador de ondas gravitacionais terrestres, o Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). Isso significa que o LISA será capaz de detectar sistemas binários de massa menor muito mais cedo e provavelmente detectará sistemas em fusão a tempo de alertar os telescópios eletromagnéticos.

Para Schnittman, essas simulações são fundamentais para entender os dados da vida real que o LISA e outras espaçonaves coletam. O caso de modelos pode ser ainda mais forte para buracos negros binários , disse Schnittman, porque a comunidade científica tem poucos dados.

"Provavelmente nunca encontraremos um buraco negro binário com um telescópio até que os simulemos ao ponto de sabermos exatamente o que estamos procurando, porque eles estão tão distantes, são tão minúsculos, você vai ver apenas um ponto de luz ", disse Schnittman. "Precisamos ser capazes de procurar essa arma fumegante."

 

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