Simulação de supercomputador explica o enorme poder de um buraco negro a jato – confirma a teoria da relatividade geral de Einstein

Um buraco negro maciço com um jato de raios-X. Crédito: NASA / CXC / M. Weiss

Confirmação adicional da teoria geral da relatividade de Einstein.

A galáxia Messier 87 (M87) está localizada a 55 milhões de anos-luz da Terra, na constelação de Virgem. É uma galáxia gigante com 12.000 aglomerados globulares, tornando-se via LácteaOs 200 aglomerados globulares parecem modestos em comparação. uma Buraco negro Dos seis bilhões e meio de massas solares localizadas no centro de M87. É o primeiro buraco negro a ter uma imagem, criado em 2019 pela colaboração internacional de pesquisa Event Horizon Telescope.

Este buraco negro (M87 *) libera um jato de plasma Perto da velocidade da luz, o chamado plano relativístico, na escala de 6.000 anos-luz. A enorme energia necessária para alimentar este jato provavelmente deriva da força gravitacional do buraco negro, mas como um jato como este emerge e o que o mantém estável ao longo da enorme distância ainda não foi totalmente compreendido.

O modelo teórico (teoria) e as observações astronômicas (observação) do local de lançamento do jato relativístico M87 combinam muito bem. Crédito: Alejandro Cruz Osorio

O buraco negro M87 * atrai matéria girando em um disco em órbitas menores até que o buraco negro a engula. O jato é lançado do centro do disco de acreção ao redor do M87, e físicos teóricos da Universidade Goethe, junto com cientistas da Europa, Estados Unidos e China, projetaram essa área em detalhes.

Eles usaram simulações de supercomputador 3D altamente sofisticadas que usaram a incrível quantidade de 1 milhão de horas de CPU por simulação e tiveram que resolver simultaneamente as equações da relatividade geral de Albert Einstein, as equações do eletromagnetismo de James Maxwell e as equações de dinâmica de fluidos de Leonhard Euler.

Ao longo das linhas do campo magnético, as partículas aceleram tão eficientemente que formam jatos de escalas de até 6.000 anos-luz no caso do M87. Crédito: Alejandro Cruz Osorio

O resultado foi um modelo no qual os valores calculados de temperaturas, densidade do material e campos magnéticos combinaram notavelmente bem com o que foi inferido de observações astronômicas. Com base nisso, os cientistas foram capazes de rastrear o movimento complexo dos fótons no espaço-tempo curvo da região mais interna do avião e traduzi-lo em imagens de rádio. Eles foram então capazes de comparar essas imagens de computador com observações feitas com vários radiotelescópios e satélites nas últimas três décadas.

O Dr. Alejandro Cruz Osorio, principal autor do estudo, comenta: “Nosso modelo teórico da emissão eletromagnética e morfologia do jato de M87 surpreendentemente coincide com as observações nos espectros de rádio, óptico e infravermelho. Isso nos diz que o buraco negro supermassivo M87 * é provavelmente em alta órbita e que o plasma está fortemente magnetizado. no plano, acelerando as partículas a intervalos de milhares de anos-luz. “

O professor Luciano Rizzola, do Instituto de Física Teórica da Goethe University Frankfurt, observa: “O fato de as imagens que calculamos serem muito próximas das observações astronômicas é outra confirmação importante de que a teoria da relatividade geral de Einstein é a explicação mais precisa e natural para sua existência do que supermassiva buracos negros no centro das galáxias. Embora ainda haja espaço para explicações alternativas, os resultados do nosso estudo tornaram esta sala muito menor. “

Referência: “Últimos modelos ativos e morfológicos do local de lançamento do M87” Por Alejandro Cruz Osorio, Christian M Fromm, Yusuke Mizuno, Antonius Nathaniel, Ziri Younesi, Oliver Borth, Jordi Davilar, Hino Falk, Michael Kramer e Luciano Rizzola, 4 de novembro de 2021 , astronomia natural.
DOI: 10.1038 / s41550-021-01506-w