Esta explosão pode mostrar que é possível extrair energia de buracos negros

Embora nada possa escapar do horizonte de eventos de um buraco negro, pode ser que alguns eventos extraiam a energia inerente a esses objetos, convertendo-os em fenômenos altamente energéticos. Essa é a hipótese demonstrada por uma equipe no ano passado, e agora os autores descrevem como tal mecanismo pode ocorrer em um sistema binário, formado por um buraco negro e uma estrela de nêutrons.

Para este estudo, os cientistas usaram como exemplo o evento que ficou conhecido como GRB 190114C – uma extraordinária explosão de raios gama que ocorreu em uma galáxia a 4,5 bilhões de anos-luz de distância, detectada em janeiro de 2019. Com cerca de um trilhão de elétron-volts, é considerado o mais poderoso de seu tipo entre os detectados até agora e foi descrito como “a maior explosão do universo desde o Big Bang”.

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O que poderia causar tal evento? Segundo o astrofísico Remo Ruffini, um dos autores do novo estudo, “sua luminosidade em raios gama, durante o tempo do evento, é tão grande quanto a luminosidade de todas as estrelas do universo observável”. Desde a detecção, alguns pesquisadores têm proposto hipóteses possíveis, como o próprio Ruffini fez em 2020. Segundo ele, essa explosão foi alimentada por buracos negros de massa estelar, por meio de “um mecanismo até então desconhecido”.

Ilustração de GRB 190114C (Imagem: Reprodução / ESA / Hubble, M. Kornmesser)

Buracos negros supermassivos ativos nos centros das galáxias podem ter campos magnéticos poderosos, e os astrônomos estão cada vez mais confiantes de que esses campos podem conduzir partículas de plasma no disco de acreção para os pólos dos buracos negros, produzindo assim os jatos relativísticos. Mas esse processo em si não parece usar a energia cinética do buraco negro e é um objeto muito diferente dos buracos negros de massa estelar.

No entanto, há indícios de que os buracos negros estelares podem atuar como uma espécie de acelerador de partículas. Isso pode ocorrer porque, como qualquer outro objeto no universo, os buracos negros têm rotação e momento angular, herdados da estrela-mãe (a estrela que entrou em colapso para formar o buraco negro). As evidências também sugerem que esses “aceleradores de partículas” cósmicos estão envolvidos em explosões de raios gama, como o grandioso GRB 190114C.

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Segundo a equipe de Ruffini, no artigo de 2020, esse processo começa com um sistema binário formado por uma estrela de carbono-oxigênio no final de sua vida e uma estrela de nêutrons. Quando a estrela moribunda explode em uma supernova, o material ejetado pode ser rapidamente sugado pela estrela de nêutrons companheira. O companheiro então passa pelo ponto de massa crítica e colapsa em um buraco negro, que lança uma explosão de raios gama. Enquanto isso, o núcleo da estrela em explosão colapsa em uma segunda estrela de nêutrons.

Agora, em um novo artigo, a equipe se concentra em explicar o mecanismo específico que resulta nessa explosão de raios gama de alta energia. De acordo com o estudo, as linhas do campo magnético herdadas da estrela de nêutrons-mãe do buraco negro extraem energia rotacional da ergosfera – a região externa e próxima ao horizonte de eventos de um buraco negro em rotação, onde o campo gravitacional do buraco negro gira junto. com ele, criando uma zona de “arrasto” do espaço-tempo.

Imagem real da explosão de raios gama capturada pelo Hubble em 2019 (Imagem: Reprodução / NASA / ESA / V. Acciari et al./ICRAR)

Imagem real da explosão de raios gama capturada pelo Hubble em 2019 (Imagem: Reprodução / NASA / ESA / V. Acciari et al./ICRAR)

Conforme o material ejetado da supernova continua a cair no buraco negro recém-formado, uma explosão de raios gama de 1,99 a 3,99 segundos é produzida. Mais material caindo no buraco negro resulta na formação de jatos e radiação gama na faixa de gigaeletronvolt, graças à extração de energia rotacional do buraco negro. Este objeto giratório interage com o campo magnético circundante e “cria um campo elétrico que acelera os elétrons para energias ultra-altas, levando a radiação de alta energia e raios cósmicos de energia ultra-alta”, explica Ruffini.

Ao contrário dos jatos relativísticos em buracos negros supermassivos, que apresentam um mecanismo de emissão contínua, a proposta da equipe de Ruffini libera as explosões em intervalos. Cada vez que um “quantum” de energia do buraco negro é acumulado para produzir a emissão de raios gama, ocorre uma liberação, que se repete um após o outro. Para o pesquisador, “podemos usar a energia rotacional extraível de um buraco negro para explicar as altas emissões de energia de explosões de raios gama e núcleos galácticos ativos”.

Apesar da confiança dos autores, o tema ainda pode gerar alguma polêmica, pois outras equipes têm demonstrado outros mecanismos para explicar o mesmo tipo de eventos. De qualquer forma, as observações de explosões de raios gama, realizadas graças a equipamentos modernos, forneceram modelos que a astrofísica não era capaz de fornecer décadas atrás. Descobrir qual é a correta parece ser questão de tempo.

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Fonte: Canaltech

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