Um par de buracos negros em órbita milhões de vezes a massa do Sol executam um pas de deux – Pas de Deux é um termo do ballet clássico que, em francês significa “Passo de dois” – hipnótico em um novo registro da NASA. O filme traça como os buracos negros distorcem e redirecionam a luz que emana do redemoinho de gás quente – chamado de disco de acreção – que envolve cada um.
Visto de perto do plano orbital, cada disco de acreção assume uma aparência de curvatura dupla característica. Mas, à medida que um passa na frente do outro, a gravidade do buraco negro em primeiro plano transforma seu parceiro em uma sequência de arcos que muda rapidamente. Essas distorções aparecem à medida que a luz de ambos os discos navega pelo tecido emaranhado do espaço e do tempo perto dos buracos negros.
“Estamos vendo dois buracos negros supermassivos, um maior com 200 milhões de massas solares e um companheiro menor pesando a metade”, disse Jeremy Schnittman, astrofísico do Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Maryland, que criou a visualização. “Esses são os tipos de sistemas binários de buraco negro onde achamos que ambos os membros poderiam manter discos de acreção que duram milhões de anos.”
Os discos de acreção têm cores diferentes, vermelho e azul, para facilitar o rastreamento das fontes de luz, mas a escolha também reflete a realidade. O gás mais quente emite luz perto da extremidade azul do espectro, e o material orbitando buracos negros menores experimenta efeitos gravitacionais mais fortes que produzem temperaturas mais altas. Para essas massas, ambos os discos de acreção iriam realmente emitir a maior parte de sua luz no UV, com o disco azul atingindo uma temperatura ligeiramente mais alta.
Visualizações como essa ajudam os cientistas a imaginar as consequências fascinantes do espelho da casa de diversões de extrema gravidade. O novo vídeo se duplica em relação a um anterior produzido por Schnittman, mostrando um buraco negro solitário de vários ângulos.
Vistos quase da mesma forma, os discos de acreção parecem visivelmente mais brilhantes de um lado. A distorção gravitacional altera os caminhos da luz que vem de diferentes partes dos discos, produzindo a imagem distorcida. O movimento rápido do gás perto do buraco negro modifica a luminosidade do disco por meio de um fenômeno chamado Doppler boosting – um efeito da teoria da relatividade de Einstein que ilumina o lado que gira em direção ao observador e escurece o lado girando.
A visualização também mostra um fenômeno mais sutil denominado aberração relativística. Os buracos negros parecem menores à medida que se aproximam do visualizador e maiores quando se afastam.
Esses efeitos desaparecem ao visualizar o sistema de cima, mas surgem novos recursos. Ambos os buracos negros produzem pequenas imagens de seus parceiros que circulam em torno deles a cada órbita. Olhando mais de perto, fica claro que essas imagens são, na verdade, visualizações de borda. Para produzi-los, a luz dos buracos negros deve ser redirecionada em 90 graus, o que significa que estamos observando os buracos negros de duas perspectivas diferentes – de frente e de lado – ao mesmo tempo.
“Um aspecto notável dessa nova visualização é a natureza auto-similar das imagens produzidas por lentes gravitacionais”, explicou Schnittman. “O zoom em cada buraco negro revela imagens múltiplas e cada vez mais distorcidas de seu parceiro.”
Schnittman criou a visualização computando o caminho percorrido pelos raios de luz dos discos de acreção conforme eles percorriam o espaço-tempo deformado em torno dos buracos negros. Em um computador desktop moderno, os cálculos necessários para fazer os frames do filme levariam cerca de uma década. Assim, Schnittman se juntou ao cientista de dados de Goddard, Brian P. Powell, para usar o supercomputador Discover no Centro de Simulação Climática da NASA. Usando apenas 2% dos 129.000 processadores do Discover, esses cálculos levaram cerca de um dia.
Os astrônomos esperam que, em um futuro não muito distante, eles sejam capazes de detectar ondas gravitacionais – ondulações no espaço-tempo – produzidas quando dois buracos negros supermassivos em um sistema muito parecido com o que Schnittman descreveu espiralam juntos e se fundem.
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