Uma equipe de astrofísicos liderada pelo Caltech conseguiu pela primeira vez simular a jornada do gás primordial que data do universo primitivo até o estágio em que ele é varrido em um disco de material que alimenta um único buraco negro supermassivo. A nova simulação de computador subverte as ideias sobre tais discos que os astrônomos têm mantido desde a década de 1970 e abre caminho para novas descobertas sobre como buracos negros e galáxias crescem e evoluem.

"Nossa nova simulação marca o ápice de vários anos de trabalho de duas grandes colaborações iniciadas aqui no Caltech", diz Phil Hopkins, professor Ira S. Bowen de Astrofísica Teórica.

A primeira colaboração, apelidada de FIRE (Feedback in Realistic Environments), focou em escalas maiores no universo, estudando questões como como as galáxias se formam e o que acontece quando as galáxias colidem. A outra, apelidada de STARFORGE, foi projetada para examinar escalas muito menores, incluindo como as estrelas se formam em nuvens individuais de gás.

"Mas havia uma grande lacuna entre os dois", explica Hopkins. "Agora, pela primeira vez, nós superamos essa lacuna."

Para fazer isso, os pesquisadores tiveram que construir uma simulação com uma resolução mais de 1.000 vezes maior que a melhor resolução anterior na área.

Para surpresa da equipe, conforme relatado no The Open Journal of Astrophysics, a simulação revelou que os campos magnéticos desempenham um papel muito maior do que se acreditava anteriormente na formação e modelagem dos enormes discos de material que giram e alimentam os buracos negros supermassivos.

"Nossas teorias nos disseram que os discos deveriam ser planos como crepes", diz Hopkins. "Mas sabíamos que isso não estava certo porque observações astronômicas revelam que os discos são, na verdade, fofos — mais como um bolo de anjo. Nossa simulação nos ajudou a entender que os campos magnéticos estão sustentando o material do disco, tornando-o mais fofo."

Na nova simulação, os pesquisadores realizaram o que eles chamam de "super zoom-in" em um único buraco negro supermassivo, um objeto monstruoso que fica no coração de muitas galáxias, incluindo a nossa Via Láctea. Esses corpos vorazes e misteriosos contêm de milhares a bilhões de vezes a massa do sol e, portanto, exercem um efeito enorme em qualquer coisa que se aproxime.

Os astrônomos sabem há décadas que, à medida que o gás e a poeira são puxados pela tremenda gravidade desses buracos negros, eles não são imediatamente sugados. Em vez disso, o material primeiro forma um disco giratório rápido chamado disco de acreção. E quando o material está prestes a cair, ele irradia uma enorme quantidade de energia, brilhando com um brilho inigualável por quase tudo no universo. Mas ainda não se sabe muito sobre esses buracos negros supermassivos ativos, chamados quasares, e como os discos que os alimentam se formam e se comportam.

Embora discos ao redor de buracos negros supermassivos já tenham sido fotografados anteriormente — o Event Horizon Telescope fotografou discos circulando buracos negros no coração da nossa própria galáxia em 2022 e Messier 87 em 2019 — esses discos são muito mais próximos e mais mansos do que aqueles que giram em torno de quasares.

Para visualizar o que acontece ao redor desses buracos negros mais ativos e distantes, os astrofísicos recorrem a simulações de supercomputadores. Eles alimentam informações sobre a física em ação nesses cenários galáticos — tudo, desde as equações básicas que governam a gravidade até como tratar a matéria escura e as estrelas — em milhares de processadores de computação que trabalham em paralelo.

Essa entrada inclui muitos algoritmos, ou séries de instruções, para os computadores seguirem para recriar fenômenos complicados. Então, por exemplo, os computadores sabem que uma vez que o gás se torna denso o suficiente, uma estrela se forma. Mas o processo não é tão simples.

"Se você disser apenas que a gravidade puxa tudo para baixo e então, eventualmente, o gás forma uma estrela e as estrelas simplesmente se acumulam, você entenderá tudo completamente errado", explica Hopkins.

Afinal, as estrelas fazem muitas coisas que afetam seus arredores. Elas emitem radiação que pode aquecer ou empurrar o gás ao redor. Elas sopram ventos como o vento solar criado pelo nosso próprio sol, que pode varrer material. Elas explodem como supernovas, às vezes lançando material para fora das galáxias ou mudando a química de seus arredores. Então, os computadores devem conhecer todos os detalhes desse "feedback estelar" também, pois ele regula quantas estrelas uma galáxia pode realmente formar.

Mas nessas escalas maiores, o conjunto de física que é mais importante incluir e quais aproximações podem ser feitas diferem daqueles em escalas menores. Por exemplo, na escala galática, os detalhes complicados de como átomos e moléculas se comportam são extremamente importantes e devem ser incorporados em qualquer simulação. No entanto, os cientistas concordam que quando as simulações se concentram na área mais imediata ao redor de um buraco negro, a química molecular pode ser ignorada principalmente porque o gás ali é quente demais para que átomos e moléculas existam. Em vez disso, o que existe ali é plasma ionizado quente.

Criar uma simulação que pudesse cobrir todas as escalas relevantes até o nível de um único disco de acreção ao redor de um buraco negro supermassivo foi um enorme desafio computacional — que também exigiu um código que pudesse lidar com toda a física.

"Havia alguns códigos que tinham a física necessária para resolver a parte de pequena escala do problema e alguns códigos que tinham a física necessária para resolver a parte maior e cosmológica do problema, mas nada que tivesse as duas coisas", diz Hopkins.

A equipe liderada pelo Caltech usou um código que eles chamam de GIZMO para projetos de simulação de grande e pequena escala. Mais importante, eles construíram o projeto FIRE para que toda a física que eles adicionaram a ele pudesse funcionar com o projeto STARFORGE, e vice-versa.

"Nós o construímos de uma forma muito modular, para que você pudesse ativar e desativar qualquer parte da física que quisesse para um determinado problema, mas todas elas eram compatíveis entre si", diz Hopkins.

Isso permitiu que os cientistas no trabalho mais recente simulassem um buraco negro que tem cerca de 10 milhões de vezes a massa do nosso sol, começando no início do universo. A simulação então amplia o zoom naquele buraco negro em um momento em que um fluxo gigante de material é arrancado de uma nuvem de gás formador de estrelas e começa a girar em torno do buraco negro supermassivo. A simulação pode continuar ampliando, resolvendo uma área mais fina a cada passo, conforme segue o gás em seu caminho em direção ao buraco.

"Em nossa simulação, vemos esse disco de acreção se formar ao redor do buraco negro", diz Hopkins. "Teríamos ficado muito animados se tivéssemos visto aquele disco de acreção, mas o que foi muito surpreendente foi que o disco simulado não se parece com o que pensamos por décadas que deveria se parecer."

Em dois artigos seminais da década de 1970 que descreveram os discos de acreção alimentando buracos negros supermassivos, os cientistas presumiram que a pressão térmica — a mudança na pressão causada pela mudança de temperatura do gás nos discos — desempenhou o papel dominante em impedir que tais discos entrassem em colapso sob a tremenda gravidade que eles experimentam perto do buraco negro. Eles reconheceram que os campos magnéticos podem desempenhar um papel menor em ajudar a reforçar os discos.

Em contraste, a nova simulação descobriu que a pressão dos campos magnéticos desses discos era na verdade 10.000 vezes maior que a pressão do calor do gás.

"Então, os discos são quase completamente controlados pelos campos magnéticos", diz Hopkins. "Os campos magnéticos servem para muitas funções, uma das quais é sustentar os discos e tornar o material inchado."

Essa percepção muda uma série de previsões que os cientistas podem fazer sobre esses discos de acreção, como sua massa, quão densos e espessos eles devem ser, quão rápido o material deve ser capaz de se mover deles para um buraco negro e até mesmo sua geometria (como se os discos podem ser assimétricos).

Olhando para o futuro, Hopkins espera que essa nova habilidade de preencher a lacuna em escalas para simulações cosmológicas abra muitas novas avenidas de pesquisa. Por exemplo, o que acontece em detalhes quando duas galáxias se fundem? Que tipos de estrelas se formam nas regiões densas de galáxias onde as condições são diferentes daquelas na vizinhança do nosso sol? Como pode ter sido a primeira geração de estrelas no universo?

"Há tanta coisa para fazer", ele diz.