Por que os buracos negros cintilam? Estudo examina 5.000 gigantes comedores de estrelas para descobrir

Os buracos negros são coisas bizarras, mesmo para os padrões dos astrônomos. Sua massa é tão grande que curva o espaço ao seu redor com tanta força que nada consegue escapar, nem mesmo a própria luz.

O disco de acreção brilhante em torno do buraco negro Sagitário A*, no centro da Via Láctea, foi fotografado em 2022. Crédito: EHT Collaboration 

E ainda, apesar de sua famosa escuridão, alguns buracos negros são bastante visíveis. O gás e as estrelas que esses vácuos galácticos devoram são sugados para um disco brilhante antes de sua viagem de ida para o buraco, e esses discos podem brilhar mais do que galáxias inteiras.

Mais estranho ainda, esses buracos negros brilham. O brilho dos discos brilhantes pode flutuar de um dia para o outro, e ninguém sabe ao certo por quê.

Pegamos carona no esforço de defesa de asteróides da NASA para observar mais de 5.000 dos buracos negros de crescimento mais rápido no céu por cinco anos, na tentativa de entender por que esse brilho ocorre. Em um novo artigo na Nature Astronomy, relatamos nossa resposta : uma espécie de turbulência impulsionada pelo atrito e intensos campos gravitacionais e magnéticos.

Comedores de estrelas gigantes

Estudamos buracos negros supermassivos, do tipo que ficam no centro das galáxias e são tão massivos quanto milhões ou bilhões de sóis.

Nossa própria galáxia, a Via Láctea, tem um desses gigantes em seu centro, com uma massa de cerca de quatro milhões de sóis. Na maior parte, os cerca de 200 bilhões de estrelas que compõem o resto da galáxia (incluindo nosso sol) orbitam alegremente em torno do buraco negro no centro.

No entanto, as coisas não são tão pacíficas em todas as galáxias. Quando pares de galáxias se atraem pela gravidade, muitas estrelas podem acabar sendo puxadas para muito perto do buraco negro de sua galáxia. Isso acaba mal para as estrelas: elas são despedaçadas e devoradas.

Estamos confiantes de que isso deve ter acontecido em galáxias com buracos negros que pesam até um bilhão de sóis, porque não podemos imaginar de que outra forma eles poderiam ter crescido tanto.Também pode ter acontecido na Via Láctea no passado.

Os buracos negros também podem se alimentar de uma maneira mais lenta e suave: sugando nuvens de gás expelidas por estrelas geriátricas conhecidas como gigantes vermelhas.

Tempo de alimentação

Em nosso novo estudo, observamos atentamente o processo de alimentação entre os 5.000 buracos negros de crescimento mais rápido no universo.

Em estudos anteriores, descobrimos os buracos negros com o apetite mais voraz. No ano passado, encontramos um buraco negro que come o equivalente à Terra a cada segundo. Em 2018, encontramos um que come um sol inteiro a cada 48 horas. 

Mas temos muitas perguntas sobre seu comportamento real de alimentação. Sabemos que o material em seu caminho para o buraco espirala em um “disco de acreção” brilhante que pode ser brilhante o suficiente para ofuscar galáxias inteiras. Esses buracos negros visivelmente alimentados são chamados de quasares.

A maioria desses buracos negros está muito, muito longe – muito longe para vermos qualquer detalhe do disco. Temos algumas imagens de discos de acreção em torno de buracos negros próximos, mas eles estão apenas respirando algum gás cósmico em vez de se banquetear nas estrelas.

Cinco anos de buracos negros bruxuleantes

Em nosso novo trabalho, usamos dados do telescópio ATLAS da NASA no Havaí, que escaneia todo o céu todas as noites (se o tempo permitir), monitorando a presença de asteróides que se aproximam da Terra vindos da escuridão externa.

Essas varreduras de todo o céu também fornecem um registro noturno do brilho de buracos negros famintos, no fundo. Nossa equipe montou um filme de cinco anos de cada um desses buracos negros, mostrando as mudanças diárias em Brilho causado pelo turbilhão brilhante borbulhante e fervente do disco de acreção.

O piscar desses buracos negros pode nos dizer algo sobre os discos de acreção.

Em 1998, os astrofísicos Steven Balbus e John Hawley propuseram uma teoria de “instabilidades magneto-rotacionais” que descreve como os campos magnéticos podem causar turbulência nos discos. padrões que se desdobram à medida que os discos orbitam. Discos maiores orbitam mais lentamente com uma cintilação lenta, enquanto órbitas mais estreitas e rápidas em discos menores cintilam mais rapidamente.

Mas os discos no mundo real provariam isso simples, sem maiores complexidades? (Se “simples” é a palavra certa para turbulência em um ambiente ultradenso e fora de controle, embutido em intensos campos gravitacionais e magnéticos onde o próprio espaço é dobrado ao ponto de ruptura é talvez uma questão separada.)

Usando métodos estatísticos, medimos o quanto a luz emitida por nossos 5.000 discos oscilava ao longo do tempo.O padrão de oscilação em cada um parecia um pouco diferente.

Mas quando os classificamos por tamanho, brilho e cor, começamos a ver padrões intrigantes. Fomos capazes de determinar a velocidade orbital de cada disco – e uma vez que você configurou o relógio para funcionar na velocidade do disco, todos os padrões oscilantes começaram a Parece o mesmo.

Este comportamento universal é de fato previsto pela teoria das “instabilidades magneto-rotacionais”.

Isso foi reconfortante! Significa que esses redemoinhos alucinantes são “simples” afinal.

E isso abre novas possibilidades.Achamos que as diferenças sutis remanescentes entre os discos de acreção ocorrem porque os observamos de diferentes orientações.

O próximo passo é examinar essas diferenças sutis mais de perto e ver se elas contêm pistas para discernir a orientação de um buraco negro. Eventualmente, nossas medições futuras de buracos negros podem ser ainda mais precisas.

Fonte: phys.org