Como jatos relativísticos são formados? Astrofísicos simulam buracos negros para explicar

No centro de cada galáxia existe um buraco negro supermassivo, ou seja, buracos negros que possuem milhões ou bilhões de vezes a massa do Sol. Ainda não se sabe exatamente como eles chegaram no centro das galáxias e como chegaram ao tamanho que possuem, mas sua existência é confirmada por várias evidências. Inclusive duas fotos obtidas pela colaboração EHT.

Um dos buracos negros da foto, chamado de M87*, foi escolhido como alvo por causa do seu tamanho e distância além da existência de um jato relativístico fotografado em 2000 pelo Hubble. Alguns buracos negros supermassivos emitem jatos relativísticos que são feixes de partículas se movendo a velocidades próximas à da luz. Esses jatos são formados pela interação do buraco negro com o disco de acreção mas o mecanismo ainda é incerto.

Um grupo de pesquisadores publicou um artigo recentemente com o objetivo de compreender como os jatos relativísticos são formados. O grupo utilizou simulações numéricas chamadas de GRMHD para estudar a formação de jatos relativísticos e como buracos negros perdem energia. A ideia é entender como o mecanismo funciona e como os jatos são tão energéticos.

Jatos Relativísticos

Buracos negros podem emitir jatos que são chamados de jatos relativísticos. Esses jatos são, geralmente, dois feixes simétricos de partículas extremamente energéticas que viajam a velocidades próximas à da luz. Os jatos são formados em regiões próximas ao horizonte de eventos e são compostos principalmente de plasma. Alguns desses jatos se estendem por milhões de anos-luz no espaço.

A questão em aberto é como esses jatos se formam porque ainda não tem uma explicação definitiva. Algumas das explicações mais aceitas é que eles sejam gerados pela interação entre o buraco negro e o disco de acreção. A rotação do buraco negro e os campos magnéticos presentes na região podem acelerar e colimar essas partículas formando o jato.

Efeito Blandford-Znajek

Uma dessas interações é explicada por um efeito chamado de Efeito Blandford-Znajek. Esse efeito descreve um mecanismo que aconteceria em torno de buracos negros onde parte da energia rotacional de um buraco de Kerr seria extraída por campos magnéticos. Buracos negros de Kerr são buracos negros que possuem momento angular, ou seja, eles giram em torno de um eixo.

Segundo esse mecanismo, o campo magnético presente no disco de acreção se conecta ao buraco negro e, por causa da rotação, é torcido gerando um fluxo de energia e partículas que são ejetadas em jatos. A energia extraída do buraco negro é convertida em energia cinética e eletromagnética dos jatos, que viajam a velocidades próximas à da luz.

Simulando buracos negros

Para tentar explicar em detalhes esse mecanismo, um grupo de pesquisadores usou simulações computacionais conhecidas como GRMHD. O modelo GRMHD simula o comportamento desse plasma magnetizado em torno do buraco e permite estudar a interação entre o campo magnético, o disco de acreção e o buraco negro. A simulação em três dimensões retorna informação como densidade, pressão, velocidade e campos magnéticos.

O objetivo principal do trabalho era determinar como o fluxo magnético em torno do buraco negro influencia a extração de energia e a formação de jatos. As simulações modelaram discos de acreção magnetizados finos e analisaram a quantidade de energia transferida pelo buraco negro para o ambiente. Através do estudo da eficiência, a equipe identificou configurações de rotação e campos magnéticos que resultam na formação dos jatos.

Como buracos negros perdem energia?

As simulações revelaram que, dependendo da rotação do buraco negro, entre 10% e 70% da energia extraída pelo efeito de Blandford-Znajek é direcionada para os jatos. Além disso, mostraram que buracos negros com rotação mais rápida liberam mais energia. A outra parte dessa energia é reabsorvida pelo disco de acreção ou dissipada como calor.

Os modelos também mostraram que campos magnéticos intensos aumentam a eficiência radiativa do disco, tornando-o mais brilhante. Esse aumento de luminosidade pode explicar por que alguns buracos negros parecem mais luminosos do que é previsto na teoria. A energia não utilizada próxima ao buraco negro pode aquecer o disco e contribuir para a formação da corona.

Referência da notícia

Dhang et al. 2025 Energy Extraction from a Black Hole by a Strongly Magnetized Thin Accretion Disk The Astrophysical Journal