A reviravolta de Einstein: astrofísicos de Princeton desvendam o mistério dos jatos do buraco negro e dos “sabres de luz” galácticos

por Tatsuya Nakamura
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Black Hole Energy Dynamics

Astrofísicos de Princeton descobrem o enigma dos jatos de buraco negro e dos “sabres de luz” galácticos explorados por Einstein

Investigadores da Universidade de Princeton fizeram uma descoberta inovadora relativa ao buraco negro M87*, lançando luz sobre a sua intrigante dinâmica energética e o seu papel na formação de jatos colossais. Esta revelação, firmemente enraizada na teoria da relatividade de Einstein, desafia a sabedoria convencional em torno dos buracos negros e apresenta uma perspectiva excitante para futuras investigações com tecnologias telescópicas avançadas. Embora este estudo forneça novos insights sobre a mecânica dos buracos negros, ele não consegue elucidar definitivamente a fonte do imenso poder dos jatos.

Uma das crenças mais amplamente aceitas sobre os buracos negros é o seu apetite voraz, devorando qualquer coisa que se aproxime demais.

No entanto, parece que existem exceções a esta regra.

Eliot Quataert, astrofísico de Princeton e professor de astronomia Charles A. Young da Fundação Classe de 1897, explica: “Apesar de serem definidos como objetos celestes dos quais nada pode escapar, uma das previsões surpreendentes da teoria da relatividade de Einstein é que os buracos negros podem, de fato, perder energia. Semelhante à forma como um pião desacelera gradualmente e dissipa sua energia rotacional, um buraco negro em rotação também pode liberar energia em seu entorno.”

Esta estrutura conceitual tem sido amplamente adotada pelos cientistas desde a década de 1970. Ele postula que os campos magnéticos são provavelmente responsáveis por desviar a energia dos buracos negros em rotação, embora o mecanismo preciso permaneça um enigma.

Numa descoberta definitiva, uma equipa de astrofísicos de Princeton confirmou agora que a energia na proximidade do horizonte de eventos do buraco negro M87* está de facto a ser expelida para fora, contrariando os pressupostos convencionais de que a energia flui para dentro. (A designação M87* corresponde ao buraco negro no coração da galáxia Messier 87, vulgarmente conhecido como M87.) Além disso, estes investigadores desenvolveram um método para verificar empiricamente a noção de que os buracos negros sofrem perda de energia rotacional, um fenómeno directamente responsável. para a criação dos fluxos de saída inspiradores, coloquialmente chamados de “jatos”.

Nas palavras do ex-pós-doutorado de Princeton, Alexandru Lupsasca, esses jatos de saída de energia se assemelham a “sabres de luz Jedi com milhões de anos-luz de comprimento” e podem se estender surpreendentemente dez vezes o comprimento da nossa galáxia, a Via Láctea.

As suas descobertas inovadoras foram publicadas no The Astrophysical Journal, com Andrew Chael como primeiro autor do artigo. Chael e o seu co-autor, George Wong, são ambos membros da equipa do Event Horizon Telescope e desempenharam papéis fundamentais no desenvolvimento de modelos cruciais para a interpretação dos fenómenos dos buracos negros. Chael, Wong, Lupsasca e Quataert são todos cientistas teóricos afiliados à Princeton Gravity Initiative.

A visão fundamental de Chael no centro deste estudo foi que a direção espiral das linhas do campo magnético revela a orientação do fluxo de energia. Essa revelação serviu de base para a pesquisa da equipe.

M87* chamou a atenção global quando foi observado pela primeira vez pelo Event Horizon Telescope. Os astrofísicos de Princeton revelaram posteriormente que o campo magnético tortuoso que rodeia um buraco negro determina a espiral de polarização distinta observada nas imagens de buracos negros. Notavelmente, a direção da transferência de energia – se ela se origina do buraco negro ou é direcionada para ele – dita a natureza da torção de polarização. Examinando a orientação da espiral, pode-se inferir se o campo magnético extrai energia de spin do buraco negro ou injeta energia de spin nele.

George Wong, pesquisador associado afiliado à Princeton Gravity Initiative e ao Institute for Advanced Study, ilustra vividamente a escala dessa transferência de energia, comparando-a a “se você pegasse a Terra, transformasse tudo em TNT e a detonasse 1.000 vezes. um segundo durante milhões e milhões de anos.”

Durante décadas, os cientistas reconheceram que, à medida que um buraco negro começa a rodar, ele transmite uma influência rotacional na estrutura do espaço-tempo que o rodeia. As linhas do campo magnético entrelaçadas com o buraco negro também são arrastadas, contribuindo para a desaceleração da sua rotação e, por sua vez, gerando a libertação de energia.

Lupsasca, que agora atua como professor assistente de física e matemática na Universidade Vanderbilt e recebeu o prêmio New Horizons in Physics 2024 da Breakthrough Prize Foundation por sua pesquisa sobre buracos negros, observa a natureza revolucionária de sua descoberta. Ele afirma: “Nossa nova e precisa previsão postula que sempre que alguém examinar um buraco negro astrofísico entrelaçado com linhas de campo magnético, haverá uma transferência substancial de energia – de proporções verdadeiramente astronômicas”.

Embora o seu estudo demonstre inequivocamente o fluxo de energia para fora perto do horizonte de eventos de M87*, os investigadores reconhecem a possibilidade teórica de um fluxo de energia para dentro em diferentes buracos negros. A sua confiança na relação entre o fluxo de energia e a orientação das linhas do campo magnético será em breve posta à prova com o hipotético Telescópio Event Horizon de “próxima geração”.

Ao longo do último ano e meio, a comunidade global de investigadores de buracos negros tem proposto ativamente especificações para este futuro instrumento. George Wong antecipa: “Artigos como o nosso podem desempenhar um papel fundamental na definição dessas especificações. É uma era extraordinariamente emocionante.”

É importante notar que os investigadores, embora o seu modelo apoie fortemente a noção de que a rotação do buraco negro alimenta o jacto extragaláctico, abstêm-se de fazer uma afirmação definitiva. Os níveis de energia revelados pelo seu modelo alinham-se com os requisitos de energia dos jactos observados, mas admitem a possibilidade de o jacto poder ser alimentado por plasma rotativo localizado fora do buraco negro. Como afirma Lupsasca: “Acredito que seja altamente provável que o buraco negro alimente o jato, mas não podemos fornecer provas irrefutáveis neste momento”.

Referência: “Black Hole Polarimetry I. A Signature of Electromagnetic Energy Extraction” por Andrew Chael, Alexandru Lupsasca, George N. Wong e Eliot Quataert, 14 de novembro de 2023, The Astrophysical Journal.
DOI: 10.3847/1538-4357/acf92d

Esta pesquisa recebeu apoio da Princeton Gravity Initiative, da Taplin Fellowship, da National Science Foundation (concessão 2307888) e do prêmio Simons Foundation Investigator.

Perguntas frequentes (FAQs) sobre a dinâmica energética do buraco negro

O que os astrofísicos de Princeton descobriram sobre os buracos negros?

Os astrofísicos de Princeton descobriram que a energia perto do horizonte de eventos do buraco negro M87* é expelida para fora, desafiando a crença comum de que a energia flui para dentro.

Como esta descoberta se relaciona com a teoria da relatividade de Einstein?

Esta descoberta está enraizada na teoria da relatividade de Einstein, que prevê que buracos negros em rotação podem perder energia, semelhante à forma como um pião desacelera ao longo do tempo.

Quais são as implicações desta descoberta para a pesquisa de buracos negros?

Esta descoberta abre novos caminhos para a compreensão da dinâmica dos buracos negros e sugere que os buracos negros podem ser fontes de fluxos de saída incrivelmente poderosos, conhecidos como “jatos”.

Como os pesquisadores determinam a direção do fluxo de energia?

A direção do fluxo de energia é determinada pela análise da orientação espiral das linhas do campo magnético perto do buraco negro, fornecendo informações sobre se o buraco negro extrai ou bombeia energia de rotação.

Esta descoberta poderia explicar a fonte da energia dos jatos observados?

Embora o estudo apoie fortemente a ideia de que a rotação do buraco negro alimenta os jactos extragalácticos, os investigadores não fazem uma afirmação definitiva, deixando espaço para a possibilidade de que a rotação do plasma fora do buraco negro possa desempenhar um papel.

Como essa descoberta será testada posteriormente?

A previsão de que os buracos negros perdem energia rotacional através da transferência de energia será testada com o lançamento do teórico Telescópio Event Horizon de “próxima geração”, que examinará mais buracos negros.

Que prêmios e apoios os pesquisadores receberam pelo seu trabalho?

Alexandru Lupsasca recebeu o prêmio New Horizons in Physics 2024 da Breakthrough Prize Foundation por sua pesquisa sobre buracos negros. A pesquisa recebeu apoio da Princeton Gravity Initiative, da Taplin Fellowship, da National Science Foundation (concessão 2307888) e do prêmio Simons Foundation Investigator.

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