Disco de acreção de buracos negros é recriado em laboratório

Redação do Site Inovação Tecnológica - 16/05/2023

Dispositivo experimental (esquerda) e o disco de plasma rotativo gerado (direita).
[Imagem: V. Valenzuela-Villaseca et al. - 10.1103/PhysRevLett.130.195101]

Disco de plasma

Pesquisadores conseguiram criar em laboratório pela primeira vez um experimento que simula o que acontece quando a matéria se desfaz ao cair em um buraco negro.

Conforme a matéria se aproxima dos buracos negros, ela se aquece a ponto de desmembrar seus átomos, tornando-se um plasma, o quarto estado da matéria, formado por íons carregados e elétrons livres.

E esse plasma também começa a girar, criando uma estrutura chamada disco de acreção. A rotação causa uma força centrífuga que empurra o plasma para fora, gerando um tênue equilíbrio com a gravidade do buraco negro, que o puxa para dentro.

Acontece que esses anéis brilhantes de plasma em órbita representam um enigma: Como é que um buraco negro cresce se o material está preso em órbita, em vez de cair no buraco? A principal teoria é que instabilidades nos campos magnéticos no plasma causam fricção, fazendo com que ele perca energia e caia no buraco negro.

A principal maneira que tem sido usada testar isso consiste em usar metais líquidos, que podem ser girados para ver o que acontece quando campos magnéticos são aplicados ao redemoinho. No entanto, como os metais devem estar contidos em tubos, eles não são uma representação verdadeira do plasma em volta de um buraco negro, que apresenta um fluxo livre.

O novo experimento modela com mais precisão o que acontece com esses discos de plasma, o que pode ajudar a descobrir como os buracos negros crescem e como a matéria em colapso forma estrelas.

Estrutura do experimento.
[Imagem: V. Valenzuela-Villaseca et al. - 10.1103/PhysRevLett.130.195101]

Disco de acreção

Vicente Villaseca e seus colegas conseguiram pela primeira vez gerar um análogo de um disco de acreção usando um laboratório único, chamado Magpie, localizado na Universidade College de Londres - o nome é uma sigla em inglês para "Gerador MegaAmpere para Experimentos de Implosão de Plasma".

O instrumento é um gerador de energia originalmente projetado para produzir um pulso de corrente de 1,8 milhão de amperes em 240 nanossegundos. Atualmente, a máquina opera com uma corrente máxima de aproximadamente 1,4 milhão de amperes, funcionando em uma configuração experimental muito usada em pesquisas de fusão nuclear, chamada "pinça Z" (z-pinch), na qual a corrente elétrica no plasma gera um campo magnético que "belisca" o plasma, comprimindo-o localmente, como se fosse uma pinça.

A equipe usou a máquina para acelerar oito jatos de plasma e colidi-los, formando uma coluna giratória. Eles descobriram que, quanto mais próximo do interior do anel giratório, mais rápido o plasma se move, o que é uma característica importante dos discos de acreção cosmológicos.

Como a Magpie produz apenas pulsos de plasma muito curtos, é possível gerar apenas cerca de uma rotação do disco de plasma. No entanto, esta prova de conceito mostrou que o número de rotações pode ser aumentado com pulsos mais longos, permitindo uma melhor caracterização das propriedades do disco. Um tempo de execução do experimento mais longo também permitirá a aplicação de campos magnéticos, para testar sua influência no atrito do sistema.

"Estamos apenas começando a poder observar esses discos de acreção de maneiras totalmente novas, que incluem nossos experimentos e instantâneos de buracos negros com o Telescópio Horizonte de Eventos. Isso nos permitirá testar nossas teorias e ver se elas correspondem às observações astronômicas," disse Villaseca.

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