Jatos de espaguete com azeitonas-buracos-negro

Tome uma azeitona preta e tire seu caroço. Agora, pegue um par de fios de espaguete cru e passe-os através do buraco da azeitona. Com esses dois passos simples, você acaba de fazer o modelo de um buraco-negro e dos jatos simétricos de gás emitidos pelo campo magnético desses monstros cosmológicos. O fenômeno dos jatos de buracos-negros é conhecido há quatro décadas, mas só agora começa a ser explicado.

Cerca de 10% das galáxias conhecidas têm núcleos ativos, habitados por buracos-negros supermassivos. Mas nem tudo que chega perto de um buraco-negro cai num caminho sem volta. Buracos-negros, especialmente os que giram, também contam com poderosos campos magnéticos, de cujos polos emanam jatos ou raios de gases superaquecidos [1].

Embora tenham energia colossal para as escalas terrestres, nem todo arroto de buraco-negro é igual: alguns desses jatos são muito fortes e chegam ao espaço intergaláctico enquanto outros, mais fracos, atravessam apenas uns poucos anos-luz. Um exemplo de jato fraco é observado na galáxia M87, situada a 50 milhões de anos-luz da Terra. Forte é o jato de galáxias como Cygnus A, localizada a 600 milhões de anos-luz de nós.

Saber porque os jatos se comportam de uma maneira ou de outra pode esclarecer os processos de evolução dos buracos-negros e das galáxias que os abrigam. Outros tipos de jatos, conhecidos como explosões de raios gama, produzidos por algumas estrelas e pulsares também poderiam ser melhor explicados.

Uma das teorias usadas pelos astrônomos para explicar a instabilidade de alguns jatos é a presença de gigantes vermelhas na trajetórias dessas emissões. Ao deparar com essas estrelas grandalhonas, os jatos acabariam perdendo força e se difundindo, espalhando-se pela galáxia à sua volta. Mas se os jatos são formados pelos campos magnéticos dos buracos-negros, esse não seria um fator mais determinante para o seu comportamento?

Quem faz essa pergunta é o astrofísico teórico Alexander Tchekovskoy, da Universidade da Califórnia-Berkeley, e seu colega Omer Bromberg, pós-doutorando da Universidade Princeton. Tchekovskoy e Bromberg propõem um novo modelo, no qual as instabilidades magnéticas ao redor do buraco-negro determinam a geometria o comportamento dos jatos.

Segundo os cientistas, o formato dos jatos é importante. Como se fossem um par de fios de macarrão paralelos e colados no nosso modelo com a azeitona preta, os jatos que saem mais finos de um buraco-negro se enfraquecem rapidamente, tendendo a se espalhar pelo espaço interestelar. Uma vez dispersa, essa massa de gás quente aquece a galáxia o que, por sua vez, dificulta a queda de matéria no buraco-negro.

Por outro lado, os jatos mais intensos seriam mais grossos, como fios de macarrão ligeiramente separados ou divergentes entre si. Mais denso, o jato assim formado tem facilidade para atravessar o espaço interestelar, podendo até chegar à zona intergaláctica.

Além da densidade de cada jato, há a questão da instabilidade magnética dos buracos-negros. Ao passar de um pólo magnético a outro dentro do buraco-negro [1], essas linhas de força são mais ou menos distorcidas — nesse caso, os fios de macarrão do nosso modelo simples seriam enrolados como um macarrão-parafuso. Nos jatos mais fracos, essa deformação é menor enquanto que os mais fortes são mais retorcidos.

Na prática, a diferença é como a que existe entre brocas de furadeira mais finas ou mais grossas: os raios mais finos não atravessam tanta matéria, o que os faz perder energia; os mais grossos simplesmente perfuram as camadas galácticas.

O modelo de Tchekovskoy e Bromberg serviu de base para uma simulação computacional, que consumiu 500 horas de trabalho em 2000 núcleos dos supercomputadores das Universidades de Berkeley, do Tennesse e do Texas. Se tivessem usado um laptop, os dois pesquisadores teriam que esperar um milhão de horas pelo resultado.

Publicados na Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, os resultados da simulação se coadunam com diversas observações, além de confirmar uma antiga hipótese sobre os jatos dos buracos-negros. Conhecida como dicotomia morfológica de Fanaroff-Riley, essa hipótese foi apresentada pelo sul-africano Bernie Fanaroff e pela britânica Julia Riley em 1974.

Com resultados tão promissores, Tchekovskoy e Bromberg trabalham agora para refinar sua simulação, que deverá levar em conta outras forças que podem agir sobre os jatos dos buracos-negros, como a gravidade e as pressões térmicas dos meios interestelar e intergaláctico. Mas eles já podem se deliciar com uma boa macarronada com azeitonas pretas.

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NOTA

[1] Fiz aqui uma simplificação: embora existam esses campos magnéticos, buracos-negros, em si, não emitem magnetismo. Tais campos magnéticos originam-se da matéria comprimida pelo disco de acreção. Para mais detalhes, vide o primeiro comentário abaixo, feito pelo leitor Thiago, e minha réplica.

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[BÔNUS: Outro fenômeno cósmico macarrônico são as estrelas de nêutrons]

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Referência
Alexander Tchekhovskoy e Omer Bromberg. Three-dimensional relativistic MHD simulations of active galactic nuclei jets: magnetic kink instability and Fanaroff–Riley dichotomy [Simulações MHD tridimensionais e relativísticas dos jatos de núcleos galácticos ativos: distorção e instabilidade magnética e a dicotomia de Fanaroff-Riley] Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters. Volume 461 Issue 1, Pp. L46-L50. First published online April 6, 2016. DOI: 10.1093/mnrasl/slw064