Processos de Alta Energia em Torno de Buracos Negros e Jatos

• Processo: 24/09383-4
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Pós-Doutorado
• Data de Início da vigência: 01 de novembro de 2024
• Data de Término da vigência: 31 de outubro de 2026
• Área de conhecimento: Ciências Exatas e da Terra - Astronomia - Astrofísica Extragaláctica
• Pesquisador responsável: Elisabete Maria de Gouveia Dal Pino
• Beneficiário: Bambhaniya Parthraj
• Instituição Sede: Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas (IAG). Universidade de São Paulo (USP). São Paulo , SP, Brasil
• Vinculado ao auxílio: 21/02120-0 - Investigação de fenômenos de astrofísica de plasmas e altas energias, instalação do ASTRI-Mini Array & construção dos telescópios de tamanho pequeno do Cherenkov Telescope Array (CTA-SSTs), AP.ESP
• Assunto(s): Buracos negros
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: Black Holes | CTAO and ASTRI MINI-ARRAY | general relativity magnethohydrodynamics (GRMHD) | Magnetic reconnection | nonthermal very high energy emission | Relativistic jets | High Energy and Plasma Astrophysics

Resumo

Buracos negros (BHs) desempenham papéis fundamentais nos processos astrofísicos por meio de fenômenos como acreção e jatos relativísticos, atuando como aceleradores de raios cósmicos e emissores de raios gama. Eles abrangem BHs de massa estelar em binárias e BHs supermassivos nos núcleos ativos de galáxias (AGNs), sendo cruciais também para a geração de GRBs. Jatos relativísticos emitidos por BHs alcançam altos fatores de Lorentz, essenciais para sua propagação, com a reconexão magnética facilitando a conversão de energia magnética em energia cinética.Blazars, um subconjunto de AGNs com jatos apontados à Terra, são importantes fontes extragalácticas de raios gama. Desafios surgem de flares de raios gama em TeV em blazars como PKS2155-304 e da detecção de neutrinos do IceCube coincidindo com flares de raios gama em TXS 0506+056. Variabilidade em escala de minutos na emissão de PKS2155-304 implica regiões compactas de aceleração/emissão rápida, necessitando fatores de Lorentz excepcionalmente altos para evitar auto-absorção e criação de pares. A reconexão magnética, envolvendo lençóis de corrente desalinhadas dentro dos jatos, é proposta para explicar essa variabilidade e compacidade. Da mesma forma, em GRBs, a reconexão magnética pode explicar transições de fluxos dominados magneticamente para cineticamente, e a emissão prompt de raios gama. Simulações tridimensionais relativísticas magnetohidrodinâmicas (R-MHD) de jatos revelam que instabilidades kink causam significativa disruptura magnética e rápida reconexão magnética induzida por turbulência. Este processo converte eficientemente energia magnética em energia cinética, facilitando a aceleração de partículas em AGN, GRB e jatos de BH binários (BHBs) sem necessidade de fortes choques. A aceleração estocástica tipo Fermi em sítios de reconexão acelera partículas a altas energias, gerando raios gama e neutrinos em regiões compactas.Entender a origem da emissão de raios gama em TeV em fontes não-blazar como AGNs de baixa luminosidade (LLAGNs) representa outro desafio. Observações sugerem regiões compactas de emissão próximas aos núcleos de fontes como IC 310, M87, Per A e NGC 1068. Um cenário possível propõe a aceleração de partículas via reconexão magnética na região central do BH. Correlações entre a luminosidade de raios gama e a massa do BH para diferentes fontes indicam populações de partículas e/ou locais de emissão distintos para blazars/GRBs versus LLAGNs/BHBs.Os estados espectrais de fontes ultraluminosas de raios X (ULXs) são outra área de debate. Estudos propõem ULXs como sistemas altamente magnetizados em acreção, mas isso não explica completamente os estados espectrais duros observados em alguns ULXs. Alternativas incluem estrelas de nêutrons ou objetos ultra-compactos sem horizonte (UCOs) em vez de BHs.Esta pesquisa utilizará modelagem numérica multidimensional para explorar fenômenos de BH, detectar eventos de reconexão magnética, realizar cálculos de transferência radiativa, simular aceleração de partículas e calcular emissões de alta energia. Aplicará simulações R-MHD e GRMHD para estudar discos de acreção e jatos de BH utilizando ferramentas como HARM e ATHENA++. Algoritmos de busca de reconexão magnética com aprendizado de máquina melhorarão a precisão na detecção. Cálculos de transferência radiativa mapearão campos de fótons, estimando emissões Sincrotron e Compton inverso. Milhares de partículas teste serão injetadas em domínios MHD simulados, rastreando sua aceleração por processos estocásticos em sítios de reconexão com o código GACCEL. Cálculos de fluxo de fótons e neutrinos usando CRPropa derivarão distribuições espectrais de energia (SEDs) para emissões gama e neutrinos. Validações de modelos com observações de LLAGNs, jatos de blazars e potenciais alvos do CTA e ASTRI Mini-Array aprimorarão previsões teóricas. Explorar se ULXs podem ser explicados por UCOs em vez de BHs ampliará a compreensão dos processos de alta energia do universo.

Publicações científicas

(Referências obtidas automaticamente do Web of Science e do SciELO, por meio da informação sobre o financiamento pela FAPESP e o número do processo correspondente, incluída na publicação pelos autores)

VERTOGRADOV, VITALII; MISYURA, MAXIM; BAMBHANIYA, PARTH. Influence of primary hair and plasma on intensity distribution of black hole shadows. EUROPEAN PHYSICAL JOURNAL PLUS, v. 140, n. 1, p. 11-pg., 2025-01-12. (24/09383-4)