"Lupa" de raios-X melhora visão de buracos negros distantes

Tirando proveito de uma lente natural no espaço, os astrónomos capturaram uma visão sem precedentes dos raios-X de um sistema de buracos negros no início do Universo.

Os astrónomos usaram lentes gravitacionais para obter uma visão sem precedentes de um sistema composto por buracos negros no início do Universo. Uma impressão de artista mostra como os raios-X de um dos objetos à esquerda (roxo) foram distorcidos pela gravidade de uma galáxia interveniente para produzir duas fontes detetadas na imagem do Chandra (inserção no canto superior esquerdo). A luz do objeto mais ténue (azul) foi ampliada pela galáxia para ser 300 vezes mais brilhante do que seria sem a lente. Os dois objetos ou são dois buracos negros supermassivos em crescimento, ou um buraco negro e o seu jato. Crédito: NASA/CXC/M. Weiss; imagem de raios-X (inserção) - NASA/CXC/SAO/D. Schwartz et al. (ver versão sem legendas; ver ampliação da inserção) 

Esta lupa foi usada para melhorar pela primeira vez a nitidez das imagens de raios-X usando o Observatório de raios-X Chandra da NASA. Capturou detalhes sobre buracos negros que normalmente estariam demasiado distantes para estudar usando os telescópios de raios-X existentes. Os astrónomos aplicaram um fenómeno conhecido como "lente gravitacional" que ocorre quando o percurso da luz de objetos distantes é curvado por uma grande concentração de massa, como uma galáxia, que fica ao longo da linha de visão. Estas lentes podem ampliar e amplificar a luz em grandes quantidades e criar imagens duplicadas do mesmo objeto. A configuração destas imagens duplicadas pode ser usada para decifrar a complexidade do objeto e tornar as imagens mais nítidas. 

No novo estudo, o sistema de lentes gravitacionais é denominado MG B2016+112. Os raios-X detetados pelo Chandra foram emitidos por este sistema quando o Universo tinha apenas 2 mil milhões de anos, em comparação com a sua idade atual de quase 14 mil milhões de anos. 

"Os nossos esforços para ver e entender estes objetos distantes em raios-X estariam condenados se não tivéssemos uma lupa natural como esta," disse Dan Schwartz do Centro para Astrofísica | Harvard & Smithsonian, que liderou o estudo. 

A investigação mais recente baseia-se em trabalhos anteriores liderados pela coautora Cristiana Spingola, atualmente no INAF (Instituto Nacional para Astrofísica) em Bolonha, Itália. Usando observações de rádio de MG B2016+112, a sua equipa encontrou evidências de um par de buracos negros supermassivos em rápido crescimento separados por apenas mais ou menos 650 anos-luz. Descobriram que ambos os candidatos a buraco negro possivelmente têm jatos. 

Usando um modelo de lente gravitacional baseado nos dados de rádio, Schwartz e colegas concluíram que as três fontes de raios-X que detetaram no sistema MG B2016+112 devem ter resultado da lente de dois objetos distintos. Estes dois objetos que emitem raios-X são provavelmente um par de buracos negros supermassivos em crescimento ou um buraco negro supermassivo em crescimento e o seu jato. A separação estimada destes dois objetos é consistente com o trabalho no rádio. 

As medições anteriores, pelo Chandra, de pares ou trios de buracos negros supermassivos em crescimento geralmente envolveram objetos muito mais próximos da Terra, ou com separações muito maiores entre os objetos. Já foi observado um jato de raios-X a uma distância ainda maior da Terra, com luz emitida quando o Universo tinha apenas 7% da sua idade atual. No entanto, a emissão do jato está separada do buraco negro por cerca de 160.000 anos-luz. 

Este resultado é importante porque fornece informações cruciais sobre a velocidade de crescimento dos buracos negros no início do Universo e a deteção de um possível buraco negro duplo. A lente gravitacional amplia a luz destes objetos distantes que, de outra forma, seriam demasiado ténues para serem detetados. Os raios-X detetados de um dos objetos em MG B2016+112 podem ser até 300 vezes mais brilhantes do que seriam sem as lentes. 

"Os astrónomos descobriram buracos negros com massas equivalentes a milhares de milhões de vezes a do nosso Sol, sendo formados apenas centenas de milhões de anos após o Big Bang, quando o Universo tinha apenas uns pontos percentuais da sua idade atual," disse Spingola. "Queremos resolver o mistério de como estes buracos negros supermassivos ganharam massa tão depressa." 

As ampliações pelas lentes gravitacionais podem permitir aos investigadores estimar quantos sistemas contendo dois buracos negros supermassivos têm separações pequenas o suficiente para produzir ondas gravitacionais observáveis no futuro com detetores espaciais. 

"De muitas maneiras, este resultado é uma prova de conceito empolgante de como esta 'lupa' pode ajudar-nos a revelar a física dos buracos negros supermassivos distantes numa nova abordagem. Sem este efeito, o Chandra teria que observá-lo durante um espaço de tempo centenas de vezes maior e mesmo assim não revelaria as estruturas complexas," disse a coautora Anna Barnacka do CfA e da Universidade Jagiellonian, que desenvolveu as técnicas para transformar lentes gravitacionais em telescópios de alta resolução e assim melhorar as imagens. 

"Graças às lentes gravitacionais, observações mais longas do Chandra podem ser capazes de determinar se é efetivamente um par de buracos negros ou um buraco negro e o seu jato. Também estamos ansiosos para aplicar esta técnica no futuro, especialmente tendo em conta que levantamentos por novas e importantes instalações óticas e no rádio, que em breve entrarão em operação, vão fornecer dezenas de milhares de alvos," concluiu Schwartz. 

A incerteza na posição de raios-X de um dos objetos em MG B2016+112 é de 130 anos-luz numa dimensão e de 2000 anos-luz na outra dimensão perpendicular. Isto significa que o tamanho da área onde a fonte provavelmente está localizada é mais de 100 vezes menor do que a área correspondente a uma típica fonte do Chandra sem lente. Esta precisão na determinação de uma posição é incomparável na astronomia de raios-X para uma fonte a esta distância. 

O artigo que descreve estes resultados foi publicado na edição de agosto da revista The Astrophysical Journal e uma versão de pré-publicação está disponível no site arXiv.org.

Fonte: Astronomia OnLine