Pesquisadores desenvolveram as simulações mais detalhadas até o momento de como a matéria se acumula ao redor de buracos negros, incorporando relatividade geral completa e efeitos de radiação. Liderado por Lizhong Zhang do Institute for Advanced Study e do Flatiron Institute, o estudo corresponde a observações astronômicas reais. Publicado no The Astrophysical Journal, foca em buracos negros de massa estelar e usa supercomputadores potentes.
Astrofísicos computacionais fizeram um avanço significativo no modelamento da acreção em buracos negros, o processo pelo qual esses objetos cósmicos atraem matéria circundante e liberam radiação intensa. O novo estudo, publicado no The Astrophysical Journal, introduz uma estrutura computacional que calcula fluxos de matéria para buracos negros sem suposições simplificadoras, contabilizando plenamente a relatividade geral de Einstein e condições dominadas por radiação.
Liderado por Lizhong Zhang, bolsista de pesquisa pós-doutoral conjunto na School of Natural Sciences do Institute for Advanced Study e no Center for Computational Astrophysics do Flatiron Institute, a pesquisa começou durante o primeiro ano de Zhang no Institute em 2023-24 e continuou no Flatiron. "Esta é a primeira vez que pudemos ver o que acontece quando os processos físicos mais importantes na acreção de buracos negros são incluídos com precisão", disse Zhang. "Esses sistemas são extremamente não lineares -- qualquer suposição excessivamente simplificadora pode mudar completamente o resultado. O mais empolgante é que nossas simulações agora reproduzem comportamentos notavelmente consistentes em sistemas de buracos negros observados no céu, de fontes ultraluminosas de raios X a binárias de raios X."
Os modelos visam buracos negros de massa estelar, que têm cerca de 10 vezes a massa do Sol. Ao contrário dos buracos negros supermassivos, esses objetos menores evoluem rapidamente em minutos a horas, permitindo observações em tempo real por meio de análise espectral de sua luz emitida. As simulações mostram matéria espiralando para formar discos turbulentos e luminosos, juntamente com ventos fluindo para fora e jatos ocasionais.
Para alcançar isso, a equipe acessou supercomputadores de escala exaescala Frontier no Oak Ridge National Laboratory e Aurora no Argonne National Laboratory. Contribuições chave incluíram algoritmos de transporte de radiação desenvolvidos por Christopher White do Flatiron e Princeton University, e integração no código AthenaK por Patrick Mullen, anteriormente no Institute e agora no Los Alamos National Laboratory.
Coautor James Stone, professor no Institute, destacou as exigências do projeto: "O que torna este projeto único é, por um lado, o tempo e esforço despendidos para desenvolver a matemática aplicada e o software capazes de modelar esses sistemas complexos, e por outro, ter uma alocação muito grande nos maiores supercomputadores do mundo para realizar esses cálculos. Agora a tarefa é entender toda a ciência que está saindo dele."
Este primeiro artigo de uma série abre caminho para aplicar a estrutura a diversos tipos de buracos negros, potencialmente iluminando os supermassivos que influenciam a formação de galáxias. Os espectros simulados alinham-se estreitamente com dados astronômicos, aprimorando as interpretações desses objetos enigmáticos.