Cientistas Produzem Simulação mais Realista da Colisão de Buracos Negros

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Uma equipa de cientistas encabeçada por Stuart Shapiro, da Universidade de Illinois Urbana-Champaign, apresentou pela primeira vez simulações da colisão de dois buracos negros supermaciços em 3 dimensões, usando as equações da Teoria da Relatividade Geral, para descrever a interacção gravitacional dos corpos, e as equações da magnetohidrodinâmica que descrevem o plasma a elevadas temperaturas dos discos de acreção que envolvem os horizontes de eventos dos buracos negros. Os resultados foram apresentados na reunião da American Physical Society que teve lugar em Baltimore, Maryland, em meados deste mês.

Este resultado é um salto qualitativo enorme na qualidade das simulações existentes deste fenómeno. A resolução numérica das ditas equações em 3 dimensões é um desafio computacional notável, só ao alcance dos maiores e mais rápidos supercomputadores do mundo. Até agora, as limitações na velocidade dos supercomputadores e a falta de métodos numéricos eficientes para a resolução das equações levava a que os investigadores utilizassem versões simplificadas das equações, modelos simplificados da realidade. Neste conjunto de simulações, Shapiro e os colegas resolveram numericamente as equações completas, sem simplificações que diminuem a generalidade dos resultados obtidos.

Simulação da colisão de dois buracos negros supermaciços (esferas negras) envolvidos por discos de acreção (os discos amarelo-laranja). As linhas do campo magnético gerado pela rotação dos discos estão também representadas. De notar as linhas perpendiculares aos discos que se pensa serem instrumentais na formação e colimação dos jactos de partículas relativísticas observados em buracos negros. Crédito: S. Shapiro, R. Gold, V. Paschalidis, M. Ruiz, Z. Etienne & H. Pfeiffer. Movie: S. Shapiro, S. Connelly, A. Khan and L. Kong.

Segundo Shapiro, as simulações assumem um interesse especial tendo em conta a descoberta recente do quasar PSO J334.2028+01.4075 que alberga um buraco negro com 10 mil milhões de massas solares e que, curiosamente, varia de luminosidade com uma periodicidade de 542 dias. A descoberta foi realizada por uma equipa liderada por Tingting Liu, da Universidade de Maryland, utilizando dados recolhidos pelo telescópio Pan-STARRS (Panoramic Survey Telescope & Rapid Response System), situado no Hawaii.

As ondas gravitacionais — deformações no espaço tempo que se propagam à velocidade da luz — provocadas pelo movimento orbital e colisão final dos buracos negros. Crédito: S. Shapiro, R. Gold, V. Paschalidis, M. Ruiz, Z. Etienne & H. Pfeiffer. Movie: S. Shapiro, S. Connelly, A. Khan and L. Kong.

Um quasar é composto por um buraco negro supermaciço e a sua região circundante, normalmente localizado no núcleo de uma galáxia. Quando um quasar está activo, o gás da galáxia (ou de outra galáxia durante uma colisão) é capturado pelo campo gravitacional do buraco negro e forma um disco de acreção em torno dele. O gás nesse disco orbita o buraco negro a alta velocidade e a fricção e o intenso campo electromagnético aquecem-no a temperaturas muito elevadas, provocando a emissão de radiação muito energética como raios gama e raios-X. Liu e os colegas sugerem que a variabilidade periódica do PSO J334.2028+01.4075 pode ser explicada pelo movimento orbital de dois buracos negros, no centro da galáxia hospedeira, situada a 10.4 mil milhões de anos-luz — o segundo buraco negro poderá ter entrado em órbita do buraco negro do quasar durante uma colisão galáctica. Um tal sistema emitiria uma enorme quantidade de energia sob a forma de ondas gravitacionais e seria um alvo de referência para experiências que tentam detectar directamente estas ondas, cuja existência é prevista pela Teoria da Relatividade Geral. A sua existência oferece poucas dúvidas à comunidade científica pois foram detectadas indirectamente em sistemas binários formados por pulsares.

Comentando esta interpretação dos dados pela equipa de Liu, Cole Miller, um astrónomo da Universidade de Maryland, é cauteloso e admite que outras explicações podem estar por detrás do sinal periódico observado. Shapiro, na mesma onda, refere que a variabilidade poderia ser explicada com cenários que envolvem apenas um buraco negro. No entanto, adivinha-se que o PSO J334.2028+01.4075 vai ser alvo de escrutínio apertado nos próximos anos, pois a confirmação de um sistema binário de buracos negros em vias de colidir seria notável. Nas palavras de Miller — “a colisão seria fantástica, se a conseguíssemos observar”.

(Fonte: Nature, Science Daily)

3 comentários

    • Dinis Ribeiro on 26/04/2015 at 11:50
    • Responder

    Gostei muito do artigo, e a utilização de supercomputadores para simular outro tipo de fenómenos também muito complexos veio-me imediatamente ao espírito, pois é um dos possíveis temas para um trabalho de investigação meu em Ciência Política, que tem sido continuamente adiado desde 2010 por diversas vicissitudes…:

    Her political science research in recent years has included studies of political participation, voter migration, contextual influences on voting behavior, and redistricting. http://news.illinois.edu/news/15/0410Guggenheim2015.html

    Localizei a informação sobre o trabalho de Wendy K. Tam Cho neste link: http://www.ncsa.illinois.edu/news/stories/BWopen/ que tem também um artigo sobre a colisão dos buracos negros com uma ligação ao artigo da Nature, referido pelo Luis Lopes.

    Já agora, este artigo refere o supercomputador mais rápido que existe: http://www.theguardian.com/science/political-science/2013/oct/07/science-policy

    Será que este tipo de colisões pode causar fenómenos semelhantes ao que eu apresento a seguir no que respeita a pequenas galáxias serem irremediavelmente arremessadas (como a Sandra Bullock no filme Gravity) para o espaço profundo, como acontece á nossa Lua na série televisiva Espaço 1999? http://en.wikipedia.org/wiki/Space:_1999 / http://pt.wikipedia.org/wiki/Espa%C3%A7o:_1999 (noto que se tratava duma co-produção entre a Inglaterra e a Itália)

    Intuitivamente, isso parece-me até bastante plausível…

    …pois até teria semelhanças (a nível puramente abstracto?) com uma espécie de movimentos dos “não alinhados”… como já se observou na geopolítica: http://en.wikipedia.org/wiki/Non-Aligned_Movement / http://pt.wikipedia.org/wiki/Movimento_N%C3%A3o_Alinhado

    …se pensarmos nisto: http://pt.wikipedia.org/wiki/Esfera_de_influ%C3%AAncia
    http://en.wikipedia.org/wiki/Sphere_of_influence (as duas caricaturas são muito irónicas)

    Em astronomia, na realidade, existe algo de muito semelhante:

    http://pt.wikipedia.org/wiki/Esfera_de_influ%C3%AAncia_(astrodin%C3%A2mica) / http://en.wikipedia.org/wiki/Sphere_of_influence_(astrodynamics)

    Este artigo descreve como uma “galáxia inteira” pode ser “cuspida” para fora da zona onde surgiu, mergulhando numa viagem solitária:

    Cosmic collisions may slingshot tiny galaxies into intergalactic space
    http://news.nationalgeographic.com/2015/04/150423-elliptical-galaxy-cluster-sky-watching-andromeda/

    The cosmic world is full of runaways, including billions of planets and stars.

    Now astronomers can add entire galaxies to the ranks of the homeless.

    Por último, tudo isto me faz pensar de novo na série Espaço 1999, pois o que me pareceu durante muitos anos como o aspecto mais “fantasioso” da série em que a nossa Lua andava perdida de planeta em planeta longínquo, me lembrava quase a TARDIS do Dr Who, (Gerry and Sylvia Anderson têm a mesma nacionalidade que Sydney Newman) agora já não é algo tão impossível, partindo do princípio que uma pudesse engolir um asteróide ou mesmo até a nossa própria Lua, que seria apenas uma estrutura com o mesmo fim que a máquina que é construída no filme “contacto”… já imaginaram como essa ideia é aflorada no filme 2001, quando dizem a Heywood Floyd que (naturalmente?) tinham logo pensado que faria parte duma estrutura muito maior que estaria enterrada a muito maior profundidade na lua, e que tinham “escavado tudo á volta” mas não havia mais nada? Nesse caso hipotético, se a terra é um “navio de passageiros”, a Lua então é um “salva-vidas” que brilha no escuro da noite, do mesmo modo que as placas fluorescentes indicam a saída nos edifícios, em caso de calamidade…

    Não, não estou a pensar que há uma base lunar (em ruínas?) em Ceres cheia de refugiados (ou o que poderá restar deles, como naquela sequência no alto da montanha no filme Cloud Atlas nesta época: “106 winters after The Fall” http://en.wikipedia.org/wiki/Cloud_Atlas_(film) ) mas não consigo deixar de me lembrar de um dos meus livros favoritos da colecção argonauta, que tinha um título (inquietantemente?) apropriado a uma boa parte da realidade actual:

    O Mundo do Abismo.

    http://coleccaoargonauta.blogspot.pt/2011/09/n-175-o-mundo-do-abismo.html

    Título original: The Watch Below
    1ª Edição: 1966
    Publicado na Colecção Argonauta em 1972
    Capa: Lima de Freitas
    Tradução: Eurico da Fonseca

    The Watch Below (1966) is a novel by science fiction author James White about a colony of humans stranded underwater in a sunken ship surviving due to air pockets. It also tells of the water-breathing alien species from space that are in search of a new home who come in contact with the human colony.

    http://en.wikipedia.org/wiki/The_Watch_Below

    http://en.wikipedia.org/wiki/James_White_(author)

    Uma outra obra desse autor:

    http://en.wikipedia.org/wiki/Sector_General

    The series defined the subgenre of multi-species medical stories,and was “the first explicitly pacifist space opera” series, when much of contemporary space opera from the USA was notably military.

    Penso que a obra dele influenciou o Espaço 1999, com toda a presença de diversas actividades médicas na Lua em diversos episódios e o papel central da médica “Helena Russell, head of Medical Section” representada por Barbara Bain.

    Este episódio, por exemplo, tem um astronauta com Stress Pós Traumático: http://en.wikipedia.org/wiki/Dragon%27s_Domain

    He fired on the creature, the laser beams bouncing off its armoured hide. Cellini retreated to the command module, pursued by the monster. Fending off the creature’s tentacles with a fire axe, he sealed the doors.

    He then blasted the command module free from the body of the probe-ship to use as an escape craft. In a brilliant manoeuvre, Cellini managed to slingshot around Ultra on a return vector for home.

    After a six-month journey, he reached Earth barely alive, sustained by survival rations and sheer courage. His accomplishment was soon overshadowed by the world-wide disbelief of his horrific tale of the alien monster.

    While recuperating in an Earthside hospital, Cellini was visited by one Helena Russell on behalf of the Space Commission Medical Department.

    • Samuel Junior on 24/04/2015 at 19:10
    • Responder

    A colisão entre 2 anãs brancas resulta em uma explosão altamente energética do tipo nova IA, dependendo da distância, se for muito próximo, acabar com a vida na terra por exemplo. Sendo assim a colisão entre 2 buracos negros poderiam emitir radiação suficiente alta (raios x, gama, etc) para a mesma coisa acontecer caso a colisão acontecesse no centro da nossa galáxia?

    1. Olá Samuel,

      Tanto quanto pude averiguar, da colisão de 2 buracos negros, sem discos de acreção, não resultaria a libertação de um quantidade apreciável de radiação electromagnética, em grande parte porque a massa dos buracos negros está concentrada na singularidade, por detrás do horizonte de eventos, que impediria qualquer radiação de sair. No entanto, a colisão emitiria uma enorme quantidade de ondas gravitacionais (não electromagnéticas) que poderiam ser detectadas mas que tanto quanto sei não teriam efeitos nefastos para o nosso planeta.

      Ab.

      Luis

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