Buracos negros supermassivos podem gerar 'tsunamis' no gás de escape

 Aqui na Terra, terremotos e erupções vulcânicas subaquáticas podem deslocar água do oceano suficiente para criar um tsunami, uma batida de ondas atingindo alturas enormes conforme se aproximam da terra.  Agora, os astrofísicos usaram simulações de computador para mostrar que nas profundezas do espaço, estruturas semelhantes a tsunamis podem se formar em escalas muito maiores, a partir do gás escapando da atração gravitacional de um buraco negro supermassivo. 

Na verdade, o ambiente misterioso de buracos negros supermassivos pode abrigar as maiores estruturas semelhantes a tsunamis no universo, dizem os pesquisadores. O estudo financiado pela NASA foi publicado no The Astrophysical Journal. O que governa os fenômenos aqui na Terra são as leis da física que podem explicar as coisas no espaço sideral e até muito longe do buraco negro”, disse Daniel Proga, astrofísico da Universidade de Las Vegas, Nevada.

A renderização deste artista mostra um buraco negro supermassivo envolto em poeira e características estranhas em gás próximo. Raios-X de alta energia do disco ao redor do buraco negro interagem com esse gás e dão origem a duas características incomuns: Tsunamis ("ondas" em azul claro acima do disco) e uma rua de vórtice Kármán (laranja). Simulações de computador mostram que esses fenômenos seriam muito grandes, na escala de anos-luz. Créditos: Ilustração de Nima Abkenar

Os buracos negros são misteriosos por si próprios. Mas para astrofísicos teóricos como Proga, um quebra-cabeça maior é resolver as equações matemáticas que descrevem como os buracos negros distorcem seus ambientes mesmo a dezenas de anos-luz de distância. Quando um buraco negro com uma massa maior do que um milhão de Sóis se alimenta de material de um disco circundante no centro de uma galáxia, o sistema é chamado de "núcleo galáctico ativo". Além disso, os núcleos galácticos ativos podem ter jatos relativísticos em seus pólos e uma espessa camada de material bloqueando nossa visão da atividade central. 

Mas o plasma circulando acima do disco, longe o suficiente para não cair no buraco negro, brilha incrivelmente forte nos raios X - tão forte que os astrônomos foram capazes de catalogar mais de um milhão desses objetos. 

Ventos fortes, pelo menos em parte impulsionados por essa radiação, saem dessa região central no que é chamado de "fluxo". Os pesquisadores querem entender as complicadas interações do gás com os raios-X, e não apenas próximo ao horizonte de eventos, onde esses raios-X são produzidos. Os efeitos desses raios-X centrais podem ser importantes até dezenas de anos-luz do buraco negro. Além de lançar saídas, a irradiação de raios X pode explicar a presença de várias populações de regiões mais densas chamadas nuvens. No ano passado, Proga e seus colegas publicaram  simulações mostrando que nuvens mais distantes podem ser produzidas em um fluxo de saída. 

“Essas nuvens são dez vezes mais quentes que a superfície do Sol e se movem na velocidade do vento solar, então são objetos bastante exóticos que você não gostaria que um avião atravessasse”, disse o autor principal Tim Waters, um pesquisador de pós-doutorado no UNLV, que também é cientista convidado no Laboratório Nacional de Los Alamos. 

Agora, o grupo demonstrou pela primeira vez o quão complicadas são as nuvens dentro dessas saídas do motor do buraco negro central. Suas simulações mostram que apenas na distância onde o buraco negro supermassivo perde seu controle sobre a matéria circundante, a atmosfera relativamente fria do disco giratório pode formar ondas, semelhantes à superfície do oceano. Ao interagir com ventos quentes, essas ondas podem se transformar em estruturas de vórtice em espiral que podem atingir uma altura de 10 anos-luz acima do disco. Isso é mais do que o dobro da distância do Sol até sua estrela mais próxima, que é um pouco mais de 4 anos-luz. Quando as nuvens em forma de tsunami se formam, elas não são mais influenciadas pela gravidade do buraco negro. 

As simulações mostram como a luz de raios-X vinda do plasma perto do buraco negro primeiro infla os bolsões de gás aquecido dentro da atmosfera do disco de acreção além de uma certa distância do núcleo galáctico ativo. O plasma aquecido sobe como um balão, expandindo-se e interrompendo o gás mais frio circundante. Pode ser abrasador - centenas de milhares a dezenas de milhões de graus, não importa qual unidade de medida se use.  

Em vez de uma erupção vulcânica submarina causando tsunamis, esses bolsões quentes de gás na periferia do disco de acreção iniciam o distúrbio de propagação para fora. Como as partículas de gás formam uma estrutura semelhante a um tsunami gigantesco, ele bloqueia o vento do disco de acreção, gerando um padrão separado de estruturas espirais conhecido como uma rua de vórtice Kármán, com cada vórtice medindo um ano-luz de tamanho. O fenômeno foi batizado em homenagem ao físico Theodore von Kármán, um dos fundadores do Laboratório de Propulsão a Jato da NASA. 

Tudo isso pode parecer exótico e distante, mas as ruas de vórtice Kármán são padrões climáticos comuns na Terra com os quais os engenheiros estruturais devem se preocupar, especialmente no que diz respeito a pontes. 

Os novos resultados contradizem uma teoria antiga de que as nuvens nas proximidades de um núcleo galáctico ativo se formam espontaneamente a partir do gás quente por meio da ação de uma instabilidade de fluido. Eles também vão contra a ideia de que os campos magnéticos são necessários para impulsionar o gás mais frio de um disco para o vento. 

“Embora tudo faça sentido em retrospectiva, foi inicialmente muito confuso observar que a instabilidade térmica não pode produzir gás frio diretamente, mas pode tomar o lugar dos campos magnéticos ao elevar o gás frio ao vento”, disse Waters. 

Armados com essas simulações, os pesquisadores esperam trabalhar com astrônomos observacionais para usar telescópios para procurar sinais dessa dinâmica. Nenhum satélite atualmente em órbita pode confirmar as novas descobertas. Mas o  Chandra X-Ray Observatory  da NASA e o XMM-Newton da Agência Espacial Européia   detectaram plasma perto de núcleos galácticos ativos com temperaturas e velocidades consistentes com as simulações. 

Provas mais fortes podem vir de missões futuras. A  próxima missão IXPE da NASA , com lançamento em novembro, pode contribuir para a compreensão dos cientistas sobre esses fenômenos. A  Missão de Imagens e Espectroscopia de Raios X (XRISM) , uma colaboração entre a NASA e a Agência Espacial Japonesa (JAXA), pode estudar esses fenômenos quando for lançado no final desta década. A Agência Espacial Europeia também está planejando uma missão chamada ATHENA, o telescópio avançado para astrofísica de alta energia, que também tem essa capacidade. 

Até lá, os pesquisadores continuarão aprimorando seus modelos e comparando-os com os dados disponíveis, apanhados no turbilhão desse mistério.

Fonte: NASA