Tamanho dos buracos negros revelado pelos seus padrões de alimentação

 Animação de um disco de acreção em torno de um buraco negro supermassivo. O processo de acreção produz flutuações aleatórias de luminosidade ao longo do tempo, um padrão que se descobriu estar relacionado com a massa do buraco negro. Crédito: Mark A. Garlick/Fundação Simons

Investigadores relatam que os padrões de alimentação dos buracos negros fornecem informações sobre o seu tamanho. Um novo estudo revelou que a oscilação no brilho, observada em buracos negros supermassivos que se alimentam ativamente, está relacionada com a sua massa. 

Os buracos negros supermassivos são milhões a milhares de milhões de vezes mais massivos do que o Sol e geralmente residem no centro de galáxias massivas. Quando estão dormentes, isto é, quando não estão a alimentar-se de gás e estrelas em seu redor, essa região emite muito pouca luz; a única maneira que os astrónomos podem detetá-los é por meio das suas influências gravitacionais nas estrelas e no gás na sua vizinhança. 

No entanto, no início do Universo, quando os buracos negros supermassivos cresciam rapidamente, alimentavam-se ativamente - ou acretavam - materiais a ritmos intensos e a emitiam uma enorme quantidade de radiação - às vezes ofuscando toda a galáxia onde residiam. 

O novo estudo, liderado pelo estudante Colin Burke e pelo professor Yue Shen, ambos da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, descobriu uma relação definitiva entre a massa dos buracos negros supermassivos que se alimentam ativamente e a escala de tempo característica no padrão oscilante de luz. Os achados foram publicados na revista Science. 

A luz observada de um buraco negro supermassivo em acreção não é constante. Devido a processos físicos que ainda não são compreendidos, exibe uma oscilação ubíqua a escalas de tempo que variam de horas a décadas. "Muitos estudos exploraram possíveis relações entre a cintilação observada e a massa dos buracos negros supermassivos, mas os resultados foram inconclusivos e às vezes controversos," disse Burke. 

A equipa compilou um grande conjunto de dados de buracos negros supermassivos em alimentação ativa para estudar o padrão de variabilidade de cintilação. Eles identificaram uma escala de tempo característica, ao longo do qual o padrão muda, que está correlacionado intimamente com a massa do buraco negro supermassivo. Os cientistas então compararam os resultados com anãs brancas em acreção, os remanescentes de estrelas como o nosso Sol, e descobriram que a mesma relação escala de tempo-massa se mantém, embora as anãs brancas sejam milhões a milhares de milhões de vezes menos massivas do que os buracos negros supermassivos. 

As oscilações de luz são flutuações aleatórias no processo de alimentação de um buraco negro, disseram os investigadores. Os astrónomos podem quantificar este padrão de oscilação medindo o poder da variabilidade em função das escalas de tempo. Para buracos negros supermassivos em acreção, o padrão de variabilidade muda de escalas de tempo curtas para escalas de tempo longas. Esta transição do padrão de variabilidade acontece numa escala de tempo característica que é mais longa para buracos negros mais massivos. 

A equipa comparou a alimentação de um buraco negro com o nosso comer e beber, equiparando esta transição a um arroto humano. Os bebés arrotam frequentemente enquanto bebem leite, e os adultos podem "segurar" o arroto por mais tempo. Os buracos negros fazem a mesma coisa enquanto se alimentam, disseram. 

"Estes resultados sugerem que os processos que conduzem a cintilação durante a acreção são universais, seja o objeto central um buraco negro supermassivo ou uma anã branca muito mais leve," disse Shen. 

"O estabelecimento firme de uma ligação entre a oscilação na luz observada e as propriedades fundamentais do acretor vão certamente ajudar-nos a melhor entender os processos de acreção," disse Yan-Fei Jiang, investigador no Instituto Flatiron e coautor do estudo. 

Os buracos negros têm uma ampla gama de tamanhos e massas. Entre a população de buracos negros de massa estelar, com menos de várias dezenas de vezes a massa do Sol, e os buracos negros supermassivos, existe uma população de buracos negros de massa intermédia com cerca de 100 e 100.000 vezes a massa do Sol. 

Pensa-se que os buracos negros de massa intermédia se formem em grande número e ao longo da história do Universo, e que possam fornecer as sementes necessárias para se transformarem mais tarde em buracos negros supermassivos. No entanto, observacionalmente, esta população de buracos negros de massa intermédia é surpreendentemente elusiva. Existe apenas um buraco negro de massa intermédia indiscutivelmente confirmado, com mais ou menos 150 vezes a massa do Sol. Mas esse buraco negro de massa intermédia foi descoberto por acaso graças à deteção de ondas gravitacionais da fusão de dois buracos negros menos massivos. 

"Agora que há uma correlação entre o padrão de oscilação e a massa do objeto central em acreção, podemos usá-la para prever como pode ser o sinal de oscilação de um buraco negro de massa intermédia," disse Burke. 

Os astrónomos de todo o mundo estão à espera do início oficial de uma nova era de levantamentos gigantescos com o objetivo de monitorizar o céu dinâmico e variável. O LSST (Legacy Survey of Space and Time) no Observatório Vera C. Rubbin, no Chile, fará um levantamento de todo o céu ao longo de uma década e irá recolher dados da oscilação da luz para milhares de milhões de objetos, começando no final de 2023. 

"A mineração do conjunto de dados LSST para procurar padrões de cintilação que sejam consistentes com a acreção de buracos negros de massa intermédia tem o potencial de descobrir e compreender totalmente esta misteriosa população, há muito procurada, de buracos negros," disse o coautor Xin Liu, professor de astronomia na Universidade de Illinois. 

Fonte: Astronomia OnLine