Os buracos negros supermassivos podem receber um serviço cósmico inesperado de entrega de gás e poeira, acelerando seu processo de alimentação além das previsões científicas anteriores. Em vez de levar centenas ou milhares de anos, esses gigantes cósmicos podem se saciar em questão de meses.
Os buracos negros supermassivos, cada um com uma massa de milhões ou bilhões de vezes a do sol, são comuns nos núcleos das galáxias. Quando estão envoltos por camadas expansivas de gás e poeira conhecidas como discos de acreção, eles geram quasares. Os quasares representam os centros luminosos das galáxias ativas, capazes de ofuscar todas as estrelas de suas respectivas galáxias.
Essas descobertas recentes sobre as taxas de alimentação dos buracos negros podem potencialmente iluminar os mecanismos pelos quais os buracos negros supermassivos consomem material circundante e como esse processo influencia a evolução das galáxias.
Um grupo de cientistas conduziu simulações 3D de alta resolução para compreender a dinâmica dos buracos negros e, inesperadamente, descobriu uma taxa de alimentação acelerada para esses fenômenos enigmáticos. Essa taxa mais rápida está em conformidade com observações de quasares do mundo real que ocasionalmente se iluminam e desvanecem em questão de meses.
Nick Kaaz, líder da equipe e astrônomo da Northwestern University, afirmou: “A questão central na física dos discos de acreção é como o gás chega a um buraco negro para alimentá-lo. Se soubermos como isso acontece, isso nos dirá quanto tempo o disco dura, quão brilhante ele é e como a luz deve parecer quando a observamos com telescópios.”
Os buracos negros supermassivos exibem comportamentos únicos durante suas refeições. Quando eles giram, arrastam o tecido do espaço e do tempo consigo, um fenômeno conhecido como “arrastamento de quadro” ou “efeito Lense-Thirring”. Simulações 3D realizadas usando o supercomputador Summit no Oak Ridge National Laboratory demonstraram que esse efeito de torção do espaço despedaça os discos de acreção, resultando em “subdiscos” internos e externos.
Inicialmente, os buracos negros supermassivos consomem gás e poeira do disco interno antes de gradualmente permitirem que a matéria do disco externo preencha os espaços deixados para trás. Este disco reabastecido se torna posteriormente a fonte principal de sustento, iniciando o ciclo de alimentação mais uma vez. Surpreendentemente, todo o processo da experiência cósmica de alimentação de um buraco negro pode ocorrer em apenas alguns meses, como indicado pelas simulações da equipe, o que é significativamente mais rápido do que se pensava anteriormente e pode explicar as flutuações rápidas observadas em alguns quasares.
Kaaz observou: “A teoria clássica dos discos de acreção prevê que o disco evolua lentamente. Mas alguns quasares – que resultam da alimentação de buracos negros com gás de seus discos de acreção – parecem mudar drasticamente ao longo de escalas de tempo de meses a anos. Essa variação é tão drástica.”
Ao contrário das suposições anteriores de que os discos de acreção mantêm a ordem apesar das forças gravitacionais dos buracos negros supermassivos, o gás e a poeira dentro desses discos não se alinham necessariamente com a rotação do buraco negro. Essa falta de alinhamento resulta em um ambiente mais caótico em torno dos buracos negros supermassivos durante a alimentação.
No centro desse fenômeno está o efeito Lense-Thirring, que se intensifica à medida que se aproxima do buraco negro central, fazendo com que os discos de acreção balancem e a região mais interna gire rapidamente. Isso se assemelha ao balanço de um pião que diminui sua velocidade, mas o balanço do disco de acreção interno é mais pronunciado do que o do disco externo.
Isso distorce todo o sistema de disco e faz com que o gás de diferentes regiões colida, gerando choques brilhantes e impulsionando o material cada vez mais perto do buraco negro supermassivo. Eventualmente, o efeito de oscilação se torna tão forte que o disco de acreção se divide, assemelhando-se mais aos anéis de um giroscópio do que a um prato plano giratório.
Kaaz explicou: “Quando o disco interno se desprende, ele precessa de forma independente. Ele precessa mais rapidamente porque está mais próximo do buraco negro e porque é pequeno, portanto, é mais fácil de mover.”
As simulações da equipe revelaram que a alimentação frenética dos buracos negros supermassivos começa na “região de rasgamento” entre os discos interno e externo. Essa competição entre a rotação do buraco negro, a fricção interna e a pressão dentro do disco resulta na colisão dos discos interno e externo. O disco externo transfere material para o disco interno, puxando-o para mais perto do buraco negro e acelerando seu consumo. Ao mesmo tempo, a imensa gravidade do buraco negro atrai o disco externo, substituindo o disco interno.
Kaaz elaborou: “A região interna de um disco de acreção, de onde vem a maior parte do brilho, pode desaparecer completamente – muito rapidamente, em questão de meses. Basicamente, vemos isso desaparecer completamente. O sistema para de brilhar. Então, ele brilha novamente e o processo se repete. A teoria convencional não tem maneira de explicar por que ele desaparece em primeiro lugar e não explica como ele se reabastece tão rapidamente.”
A pesquisa da equipe foi apresentada no The Astrophysical Journal em 20 de setembro de 2023. Essas descobertas surpreendentes expandem nossa compreensão dos buracos negros supermassivos e como eles se alimentam, lançando luz sobre um dos mistérios mais fascinantes do cosmos. [Space]