Um novo estudo realizado por astrônomos da NASA, da Universidade Johns Hopkins e do Instituto de Tecnologia de Rochester confirma as suspeitas de longa data sobre como stellar-massa buracos negros produzir sua luz mais alta energia. "Nosso trabalho traça os movimentos complexos, interações de partículas e campos magnéticos turbulentos em gás bilhões graus no limiar de um buraco negro, um dos ambientes físicos mais extremos do universo", disse o pesquisador Jeremy Schnittman, astrofísico da NASAGoddard Space Flight Center em Greenbelt, Md.
Ao analisar uma simulação supercomputador de gás que flui em um buraco negro, a equipe descobre que eles podem reproduzir uma gama de características importantes de raios-X longo observados em buracos negros ativos.
Na zona interna do disco de acreção de um buraco negro de massa estelar mostrado abaixo, o gás é aquecido a 20 milhões de graus Fahrenheit como ele espirais em direção ao buraco negro brilha em baixa energia, ou, raios-X moles. Pouco antes de o gás mergulha para o centro, o seu movimento orbital se aproxima da velocidade da luz. Os raios X até centenas de vezes mais potentes ("duro") do que as do disco surgem a partir da coroa, uma região de ténue e gás muito mais quente em torno do disco.Temperaturas coronais chegar a bilhões de graus. O horizonte de eventos é o limite onde todas as trajetórias, incluindo os de luz, deve ir para dentro. Nada, nem mesmo a luz, pode passar para o exterior em todo o horizonte de eventos e escapar do buraco negro.
Gás caindo em direção a um buraco negro inicialmente orbita em torno dele e, em seguida, acumula em um disco achatado. O gás armazenada neste disco gradualmente as espirais internas e torna-se muito comprimida e aquecida, pois aproxima o centro. Em última análise, atingindo temperaturas de até 20 milhões de graus Fahrenheit (12 milhões C) - cerca de 2.000 vezes mais quente que a superfície do sol - o gás brilha em baixa energia, ou, raios-X moles.
Por mais de 40 anos, no entanto, as observações têm mostrado que os buracos negros também produzem quantidades consideráveis de raios-X "duros", de luz com dezenas de energia para centenas de vezes maior do que os raios X moles. Esta luz de alta energia implica a presença de gás, correspondentemente, mais quente, com temperaturas chegando a milhares de milhões de graus.
O novo estudo preenche a lacuna entre teoria e observação, demonstrando que ambos os raios-X duros e macios inevitavelmente surgem de gás em espiral em direção a um buraco negro.
Trabalhando com Julian Krolik, professor da Johns Hopkins University, em Baltimore, e Scott Noble, um cientista da pesquisa no Instituto de Tecnologia de Rochester em Rochester, NY, Schnittman desenvolveu um processo para modelar a região interna do disco de acreção de um buraco negro, acompanhando a emissão e circulação de raios-X, e comparando-se os resultados das observações de reais buracos negros.
Noble desenvolveu uma simulação de computador resolver todas as equações que regem o movimento complexo de gás influxo e seus campos magnéticos associados perto de um buraco negro acreção. O aumento da temperatura, densidade e velocidade do gás infalling amplificar dramaticamente campos magnéticos rosqueamento através do disco, que, em seguida, exercem uma influência adicional sobre o gás.
O resultado é uma espuma turbulenta em órbita do buraco negro a velocidades próximas da velocidade da luz. Os cálculos monitorados simultaneamente as propriedades do fluido, elétricas e magnéticas do gás tendo também em conta a teoria da relatividade de Einstein.
Correndo na supercomputador da guarda florestal no Texas Centro Avançado de Computação localizado na Universidade do Texas, em Austin, simulação de Noble usado 960 de cerca de 63.000 unidades centrais de processamento da Ranger e levou 27 dias para ser concluído.
Ao longo dos anos, observações de raios-X melhoradas fornecida evidência crescente de que os raios-X duros originado em, uma coroa ténue quente acima do disco, uma estrutura análoga com a superfície corona quente que rodeia o sol.
"Os astrônomos também esperar que o disco suportado fortes campos magnéticos e espera que estes campos pode borbulhar fora dele, criando a corona", explicou Noble. "Mas ninguém sabia ao certo se isso realmente aconteceu e, se o fizesse, se os raios X produzidos iria coincidir com o que observamos."
Utilizando os dados gerados pela simulação de Noble, Schnittman e Krolik desenvolveu ferramentas para controlar como os raios X foram emitidos, absorvido, e espalhados por todo tanto o disco de acreção ea região de corona. Combinados, eles demonstram, pela primeira vez uma ligação directa entre turbulência magnética no disco, a formação de uma coroa bilhões graus, e a produção de raios X duros em torno de uma forma activa "alimentação" buraco negro.
Na coroa, electrões e outras partículas se movem em fracções sensíveis da velocidade da luz. Quando um raio-X de baixa energia a partir do disco percorre esta região, pode colidir com uma das partículas em movimento rápido. O impacto aumenta consideravelmente a energia de raio X-o através de um processo conhecido como espalhamento Compton inverso.
"Os buracos negros são verdadeiramente exótico, com extraordinariamente altas temperaturas, movimentos incrivelmente rápidos e gravidade que exibem a estranheza completo da relatividade geral", disse Krolik. "Mas nossos cálculos mostram que podemos entender muito sobre eles usando princípios da física único padrão."
O estudo foi baseado em um buraco negro não rotativa. Os pesquisadores estão estendendo os resultados de fiação buracos negros, onde a rotação puxa a borda interna do disco ainda mais para dentro e as condições se tornam ainda mais extrema. Eles também planejam uma comparação detalhada de seus resultados para a riqueza de observações de raios-X agora arquivados pela NASA e outras instituições.
Os buracos negros são os objetos mais densos conhecidos. Buracos negros de massa estelar se formam quando estrelas massivas ficar sem combustível e colapso, esmagando até 20 vezes a massa do Sol em objetos compactos menos de 75 milhas (120 quilômetros) de largura.
O Galaxy diário via Goddard Space Flight Center
Créditos de imagem: "Interstellar" Imagens -Paramount, Warner Bros., Legendary Pictures
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