Simulações Revelam Temperaturas Surpreendentes de Elétrons Perto do Horizonte de Eventos do Buraco Negro M87

Imagina só: simulações de supercomputadores estão nos ajudando a entender melhor o que rola ali, bem pertinho da ‘sombra’ de um buraco negro, naquela área logo antes do seu horizonte de eventos. Essa é a fronteira sem volta, onde nem a luz consegue escapar! A galera do Monthly Notices of the Royal Astronomical Society publicou essa pesquisa em 2025.

Em 2019, as primeiras imagens de um buraco negro deixaram todo mundo de queixo caído. Era tipo um donut brilhante no centro da galáxia Messier 87 (M87), que fica a uns 55 milhões de anos-luz da Terra. Agora, essas simulações estão aprimorando nosso conhecimento sobre o que acontece nessa região misteriosa, logo depois da ‘sombra’ do buraco negro, que é basicamente a matéria que fica bem na beiradinha do horizonte de eventos.

Andrew Chael, um pesquisador de Princeton, contou que desde que conseguiram a primeira imagem do buraco negro, a equipe tem se dedicado a desvendar o que acontece ao redor dele. Ele faz parte da Colaboração Event Horizon Telescope (EHT), que é tipo uma super-equipe que junta telescópios do mundo todo para formar um telescópio gigante, quase do tamanho da Terra! Eles usam uma técnica chamada Interferometria de Linha de Base Muito Longa, que é uma forma de radioastronomia que compara os sinais dos telescópios para montar as imagens do buraco negro M87.

Na imagem do buraco negro, a gente vê a luz de elétrons quentes que giram em espiral em volta das linhas de campo magnético e produzem algo chamado radiação síncrotron. Pensa assim: é como se esses elétrons estivessem dançando em volta de ímãs gigantes no espaço, e essa dança gera uma luz especial que a gente consegue captar.

Chael explicou que eles querem entender como as partículas desse plasma (que é tipo um gás superquente e carregado, como o que tem dentro de uma lâmpada fluorescente) se comportam quando o buraco negro as ‘come’. E também querem saber os detalhes dos campos magnéticos que se misturam com esse plasma, que na M87, lançam jatos enormes e brilhantes de partículas subatômicas. É como se o buraco negro estivesse arrotando partículas a milhares de anos-luz de distância!

Esses jatos são como um farol, indicando que tem um buraco negro ali no centro da galáxia M87, cuspindo partículas a milhares de anos-luz de distância.

Usando Supercomputadores para Simular Plasma, Magnetismo e Gravidade de Buracos Negros

No mundo todo, os cientistas estão usando o poder dos supercomputadores para desvendar um dos ambientes mais extremos do universo: o espaço ao redor dos buracos negros. O grupo de pesquisa do Chael é um dos que usam simulações avançadas para modelar a interação dinâmica entre o plasma de alta energia, os campos magnéticos superpoderosos e a força gravitacional esmagadora perto desses gigantes cósmicos. Essas forças não agem sozinhas – elas interagem de formas complexas e com feedback, permitindo que os buracos negros engulam a matéria ao redor, lancem jatos por distâncias enormes e emitam a radiação brilhante que o Event Horizon Telescope (EHT) capturou.

Os avanços recentes de Chael nas suas técnicas de simulação foram publicados em fevereiro de 2025 no Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Eles vão além das simulações comuns que tratam as partículas carregadas eletricamente (prótons e elétrons) no plasma ao redor do buraco negro como se fossem um fluido só.

“Este artigo é uma primeira tentativa de usar uma técnica mais avançada e que exige mais do computador para modelar diretamente essas espécies separadas de partículas, elétrons e prótons, para tentar entender como elas interagem e, em particular, qual é a temperatura relativa das duas”, explicou ele.

O supercomputador Stampede3 no TACC é um recurso estratégico nacional financiado pela NSF-ACCESS, usado por milhares de cientistas. Crédito: TACC

A temperatura relativa entre os elétrons e os prótons determina o brilho e outras propriedades da imagem do buraco negro.

“O que descobrimos através das simulações é que a temperatura dos elétrons é muito mais alta do que se pensava ser o caso na M87. Não conseguimos reproduzir a baixa polarização, que é uma das principais restrições para entender qual é a temperatura do plasma ao redor do buraco negro”, disse Chael.

Os resultados mostram uma tensão fundamental entre os modelos atuais de aquecimento de elétrons na física do plasma e as restrições observacionais fornecidas pelo EHT.

“Parece que o buraco negro na M87 tem elétrons que são cerca de 100 vezes mais frios que os prótons. Esta é uma direção interessante a seguir”, disse Chael.

Chael realizou suas simulações de buracos negros nos supercomputadores Stampede2 e, posteriormente, Stampede3 no Texas Advanced Computing Center (TACC), com alocações concedidas pelo programa ACCESS (Advanced Cyberinfrastructure Coordination Ecosystem: Services & Support), financiado pela National Science Foundation (NSF).

Uma série de 11 simulações magnetohidrodinâmicas relativísticas gerais (GRMHDS) que cobrem uma gama de diferentes rotações de buracos negros foram concluídas no Stampede2 e Stampede3 para este estudo. Simplificando, ‘relativísticas gerais’ leva em conta a forte gravidade do espaço-tempo do buraco negro. ‘Magnetohidrodinâmicas’ usa uma abordagem de dinâmica de fluidos para os campos magnéticos do buraco negro.

Mais Pesquisas Pela Frente

Existem vários anos de dados do EHT que ainda não foram transformados em imagens, e a equipe espera fazer um filme que mostre a evolução do buraco negro ao longo do tempo.

Em janeiro de 2025, Chael e seus colaboradores do EHT publicaram um estudo comparando a imagem do buraco negro M87 capturada pelo EHT com uma ampla gama de simulações. Para apoiar este trabalho, ele recebeu alocações de computação do ACCESS nos supercomputadores Stampede2 e Jetstream, e conduziu simulações no sistema Frontera, financiado pela NSF, no TACC.

Simulações de alta resolução revelaram que, embora a sombra do buraco negro permaneça notavelmente consistente em tamanho e estrutura geral de ano para ano, ela está longe de ser estática. Além disso, o ponto mais brilhante no anel muda com o tempo, impulsionado pela mistura turbulenta e fluxos dinâmicos de plasma perto do horizonte de eventos. À medida que diferentes regiões de gás aquecem ou esfriam devido a esses processos caóticos, a aparência do buraco negro evolui de forma sutil, mas mensurável.

“Buracos negros são ambientes extremamente complicados”, disse Chael. “As melhores ferramentas disponíveis que temos são as simulações de supercomputadores. É incrível que tenhamos conseguido construir esses computadores e códigos que nos permitem criar modelos precisos do que está acontecendo em um relacionamento tão estranho e complicado. As simulações nos dão confiança de que estamos considerando todos esses efeitos, que estão todos interagindo de maneiras complicadas e às vezes imprevisíveis.