O EHT usa supercomputadores para simular o buraco negro M87

O Telescópio do Horizonte de Eventos (EHT) ganhou notoriedade mundial em 2019 ao divulgar a primeira imagem alguma vez obtida de um buraco negro. Esse marco foi possível graças à Interferometria de Linha de Base Muito Longa (VLBI), um método em que vários instrumentos recolhem luz em simultâneo para compor uma imagem completa do aspecto de um objecto.

Nesse caso, o alvo foi o buraco negro supermassivo (SMBH) no centro de Messier 87, uma galáxia gigantesca situada a 55 milhões de anos-luz da Terra. Mais tarde, seguiram-se imagens dos jactos relativísticos que emergem de duas galáxias brilhantes, bem como de Sagittarius A*, o SMBH no centro da Via Láctea.

Do primeiro retrato do EHT ao estudo do horizonte de eventos

Em paralelo, os cientistas da Colaboração EHT têm vindo a recorrer a simulações em supercomputadores para aprofundar a compreensão do meio físico para lá do limite exterior dos buracos negros (ou seja, o horizonte de eventos).

Entre esses investigadores está a equipa liderada por Andrew Chael, investigador associado na Princeton University e membro da Princeton Gravity Initiative. Chael e os seus colaboradores realizaram simulações do SMBH de M87 com os supercomputadores Stampede2 e Stampede3, no Texas Advanced Computing Center (TACC).

A imagem resultante (acima) ilustra de que forma a luz emitida por electrões quentes descreve espirais logo para lá da “sombra” do buraco negro.

Simulações do buraco negro de M87: plasma, campos magnéticos e gravidade extrema

O grupo de Chael é um de vários que utilizam simulações avançadas para reproduzir a dinâmica das sombras dos buracos negros, incorporando plasma de alta energia, campos magnéticos e uma gravidade intensa. Estes elementos interligam-se num sistema complexo que permite aos buracos negros acrecionar matéria em queda, libertar quantidades imensas de radiação e gerar jactos relativísticos capazes de se estender por milhões de anos-luz.

As simulações incluíram 11 simulações magnetohidrodinâmicas relativísticas gerais (GRMHDS), que tratam o problema com uma abordagem de dinâmica de fluidos para simular o plasma em interacção com a gravidade e com as linhas de campo magnético.

"Desde que fizemos aquela primeira imagem de um buraco negro, tem havido muito trabalho a tentar compreender o ambiente imediatamente à volta do buraco negro", afirmou Chael num comunicado do TACC.

"Queremos perceber a natureza das partículas deste plasma que o buraco negro está a engolir e os detalhes dos campos magnéticos misturados com o plasma que, em M87, lançam enormes jactos luminosos de partículas subatómicas."

Separar electrões e protões: o avanço computacional

Desde a pós-graduação, Chael tem realizado simulações com o Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) e com recursos disponibilizados pelo programa Advanced Cyberinfrastructure Coordination Ecosystem: Services & Support (ACCESS) do TACC. Graças a progressos recentes alcançados pela equipa com código próprio, as simulações passaram a ir além dos modelos tradicionais, que tratam protões e electrões com carga eléctrica como uma única entidade.

"Este artigo é uma primeira tentativa [de] usar uma técnica mais avançada", acrescentou Chael, "mais dispendiosa do ponto de vista computacional, para modelar directamente estas espécies de partículas separadas - electrões e protões - de modo a tentar perceber como interagem e, em particular, qual é a temperatura relativa entre as duas."

O que as simulações sugerem sobre temperaturas e brilho na imagem do EHT

As simulações indicaram que a temperatura dos electrões em torno de M87 é muito mais elevada do que se pensava anteriormente, ficando cerca de 100 vezes mais fria do que a dos protões. Este ponto é relevante porque as diferenças de temperatura entre os electrões e os protões condicionam o brilho e outras características observáveis na imagem.

Deste modo, os resultados sublinham uma tensão fundamental entre os modelos actuais da física de plasmas e as observações obtidas pelo EHT. Numa fase seguinte, Chael e a sua equipa pretendem aplicar o código de simulação a mais dados do EHT sobre M87, com o objectivo de produzir um filme que acompanhe a sua evolução ao longo do tempo.

Num estudo que Chael e os seus colaboradores realizaram em Janeiro, a imagem do buraco negro de M87 obtida pelo EHT foi comparada com um vasto conjunto de simulações, recorrendo aos supercomputadores Stampede2 e Jetstream. Esses testes mostraram que, embora o tamanho e a estrutura da “sombra” do SMBH se mantenham consistentes, não deixam de estar sujeitos a alterações.

Também se verificou que o ponto mais brilhante no anel de fotões se desloca ao longo do tempo, devido aos processos caóticos associados aos fluxos dinâmicos de plasma perto do horizonte de eventos. À medida que diferentes regiões do plasma aquecem e arrefecem, o aspecto do buraco negro vai sofrendo mudanças subtis com o passar do tempo.

"Os buracos negros são ambientes extremamente complicados. As melhores ferramentas de que dispomos são as simulações em supercomputadores. É impressionante que tenhamos conseguido construir estes computadores e estes códigos que nos permitem criar modelos exactos do que está a acontecer numa relação tão estranha e complicada", disse Chael.

"As simulações dão-nos confiança de que estamos a ter em conta todos estes efeitos, que estão a interagir de formas complexas e por vezes imprevisíveis."

Este artigo foi originalmente publicado pela Universe Today. Leia o artigo original.