Simulação simples leva acidentalmente à misteriosa galáxia em forma de X pela primeira vez

 A renderização tridimensional do volume da densidade ilustra o desenvolvimento natural da morfologia do jato em forma de X. Veja o vídeo incorporado abaixo para mais detalhes. Crédito: Aretaios Lalakos/Northwestern University

Galáxias de rádio em forma de X podem se formar de forma mais simples do que o esperado

Quando os astrônomos olham para o céu noturno usando radiotelescópios, eles costumam ver galáxias de forma elíptica, com jatos gêmeos explodindo de ambos os lados de seu buraco negro supermassivo central . No entanto, de vez em quando - menos de 10% do tempo - os astrônomos podem detectar algo especial e raro: uma galáxia de rádio em forma de X, com quatro jatos se estendendo profundamente no espaço.

Embora essas misteriosas galáxias de rádio em forma de X tenham confundido os astrofísicos por duas décadas, um novo estudo lança uma nova visão sobre como elas se formam – e é surpreendentemente simples. Além disso, de acordo com o estudo, as rádio-galáxias em forma de X podem ser mais comuns do que se pensava anteriormente.

O estudo, da Northwestern University , será publicado hoje (29 de agosto de 2022) no Astrophysical Journal Letters . Ele representa a primeira simulação de acreção de galáxias em grande escala que rastreia o gás galáctico longe do buraco negro supermassivo até ele.

Condições simples levam a resultados confusos

Os astrofísicos do noroeste implementaram condições simples para modelar a alimentação de um buraco negro supermassivo e a formação orgânica de seus jatos e disco de acreção usando novas simulações. Quando os cientistas executaram a simulação, as condições simples levaram organicamente e inesperadamente à formação de uma radiogaláxia em forma de X.

Uma imagem estática tirada da simulação 3D do desenvolvimento natural de um jato em forma de X. O gás (vermelho brilhante) cai no buraco negro, que lança um par de jatos relativísticos (azul claro). Os jatos se propagam verticalmente e chocam o gás ambiente (vermelho escuro). Crédito: Aretaios Lalakos/Northwestern University

Surpreendentemente, os pesquisadores descobriram que a forma X característica da galáxia resultou da interação entre os jatos e o gás caindo no buraco negro . No início da simulação, o gás em queda desviou os jatos recém-formados, que ligaram e desligaram, oscilaram de forma irregular e inflaram pares de cavidades em direções diferentes para se assemelhar a uma forma de X. No entanto, eventualmente, os jatos se tornaram fortes o suficiente para empurrar o gás. Nesse ponto, os jatos se estabilizaram, pararam de oscilar e se propagaram ao longo de um único eixo.

“Descobrimos que mesmo com condições iniciais simétricas simples, você pode ter um resultado bastante confuso”, disse Aretaios Lalakos, da Northwestern, que liderou o estudo. “Uma explicação popular de galáxias de rádio em forma de X é que duas galáxias colidem, fazendo com que seus buracos negros supermassivos se fundam, o que altera a rotação do buraco negro remanescente e a direção do jato. Outra ideia é que a forma do jato é alterada à medida que interage com o gás em grande escala que envolve um buraco negro supermassivo isolado. Agora, revelamos, pela primeira vez, que as rádio-galáxias em forma de X podem, de fato, ser formadas de uma maneira muito mais simples”.

Lalakos é estudante de pós-graduação no Weinberg College of Arts and Sciences da Northwestern e membro do Centro de Exploração Interdisciplinar e Pesquisa em Astrofísica (CIERA). Ele é co-orientado pelo coautor do artigo Sasha Tchekhovskoy, professor assistente de física e astronomia na Northwestern e um membro-chave do CIERA, e Ore Gottlieb, um bolsista de pós-doutorado do CIERA.

Uma forma de X acidental

As galáxias de rádio emitem luz visível e também abrangem grandes regiões de emissão de rádio. M87 é talvez a galáxia de rádio mais famosa. É uma das galáxias mais massivas do universo, que foi ainda mais popularizada em 2019, quando o Event Horizon Telescope fotografou seu buraco negro supermassivo central . Criadas pela primeira vez em 1992, as rádio-galáxias em forma de X representam menos de 10% de todas as rádio-galáxias.

Quando Lalakos começou a modelar um buraco negro, ele não esperava simular uma galáxia em forma de X. Em vez disso, ele pretendia medir a quantidade de massa consumida por um buraco negro. Ele inseriu condições astronômicas simples na simulação e deixou-a funcionar. Lalakos não reconheceu inicialmente a importância da emergente forma de X, mas Tchekhovskoy reagiu com fervor entusiasmado.

“Ele disse: 'Cara, isso é muito importante! Esta é uma forma de X!'”, disse Lalakos. “Ele me disse que os astrônomos observaram isso na vida real e não sabiam como eles se formaram. Nós o criamos de uma maneira que ninguém havia especulado antes.”

Em simulações anteriores, outros astrofísicos tentaram criar estruturas em forma de X artificialmente para examinar como elas surgem. Mas a simulação de Lalakos levou organicamente à forma de X.

“Na minha simulação, tentei não supor nada”, disse Lalakos. “Normalmente, os pesquisadores colocam um buraco negro no meio de uma grade de simulação e colocam um grande disco gasoso já formado ao redor dele, e então podem adicionar gás ambiente fora do disco. Neste estudo, a simulação começa sem um disco, mas logo um se forma à medida que o gás em rotação se aproxima do buraco negro. Este disco então alimenta o buraco negro e cria jatos. Fiz as suposições mais simples possíveis, então todo o resultado foi uma surpresa. Esta é a primeira vez que alguém vê morfologia em forma de X em simulações de condições iniciais muito simples.”

'Não tive a sorte de vê-los'

Como a forma de X surgiu apenas no início da simulação – até que os jatos se fortalecessem e se estabilizassem – Lalakos acredita que as rádio-galáxias em forma de X podem aparecer com mais frequência, mas duram muito pouco tempo no universo do que se pensava anteriormente.

“Eles podem surgir toda vez que o buraco negro recebe novo gás e começa a comer novamente”, disse ele. “Então, eles podem estar acontecendo com frequência, mas podemos não ter a sorte de vê-los porque eles só acontecem enquanto a potência do jato for muito fraca para empurrar o gás para longe.”

Em seguida, Lalakos planeja continuar executando simulações para entender melhor como essas formas em X surgem. Ele espera experimentar o tamanho dos discos de acreção e os giros dos buracos negros centrais. Em outras simulações, Lalakos incluiu discos de acreção que eram quase inexistentes até extremamente grandes - nenhum levou à forma de X indescritível.

“Para a maior parte do universo, é impossível ampliar bem no centro e ver o que está acontecendo muito perto de um buraco negro”, disse Lalakos. “E mesmo as coisas que podemos observar, somos limitados pelo tempo. Se o buraco negro supermassivo já está formado, não podemos observar sua evolução porque a vida humana é muito curta. Na maioria dos casos, contamos com simulações para entender o que acontece perto de um buraco negro.”

Fonte: scitechdaily.com