"Soluços" persistentes em galáxia distante atraem astrônomos para novo comportamento de buraco negro
A análise revela um pequeno
buraco negro perfurando repetidamente o disco de gás de um buraco negro maior.
Os cientistas descobriram um grande buraco negro que "soluça", libertando plumas de gás. A análise revelou que um pequeno buraco negro estava a perfurar repetidamente o disco de gás do buraco negro maior, provocando a libertação das plumas. Poderosos campos magnéticos, a norte e a sul do buraco negro e representados pelo cone cor de laranja, atiram a pluma para cima e para fora do disco. De cada vez que o buraco negro menor perfura o disco, ejeta outra pluma, num padrão regular e periódico. Crédito: Jose-Luis Olivares, MIT
No coração de uma galáxia
longínqua, um buraco negro supermassivo parece ter tido um caso de soluços.
Astrónomos do MIT (Massachusetts
Institute of Technology), da Itália, da Chéquia e de outros países descobriram
que um buraco negro anteriormente calmo, que se situa no centro de uma galáxia
a cerca de 800 milhões de anos-luz de distância, entrou subitamente em erupção,
libertando plumas de gás a cada 8,5 dias antes de voltar ao seu estado normal e
calmo.
Os soluços periódicos são um novo
comportamento que até agora não tinha sido observado em buracos negros. Os
cientistas pensam que a explicação mais provável para os surtos provém de um
segundo buraco negro, mais pequeno, que está a girar em torno do buraco negro
supermassivo central e a lançar material do disco de gás do buraco negro maior
a cada 8,5 dias.
As descobertas da equipa,
publicadas na revista Science Advances, desafiam a imagem convencional dos
discos de acreção dos buracos negros, que os cientistas supunham serem discos
de gás relativamente uniformes. Os novos resultados sugerem que os discos de
acreção podem ser mais variados no seu conteúdo, possivelmente contendo outros
buracos negros e até estrelas inteiras.
"Pensávamos que sabíamos
muito sobre os buracos negros, mas isto diz-nos que há muitas mais coisas que
eles podem fazer", afirma o autor do estudo, Dheeraj "DJ"
Pasham, investigador do Instituto Kavli de Astrofísica e Investigação Espacial
do MIT. "Pensamos que haverá muitos mais sistemas como este e só
precisamos de recolher mais dados para os encontrar".
Os coautores do estudo do MIT
incluem o pós-doutorado Peter Kosec, a estudante Megan Masterson, a professora
associada Erin Kara, o investigador principal Ronald Remillard e o antigo
investigador Michael Fausnaugh, juntamente com colaboradores de várias instituições,
incluindo a Universidade Tor Vergata de Roma, o Instituto Astronómico da
Academia Checa de Ciências e a Universidade Masaryk na Chéquia.
"Usá-lo ou
perdê-lo"
As descobertas da equipa
resultaram de uma deteção automática pelo ASAS-SN (All Sky Automated Survey for
SuperNovae), uma rede de 20 telescópios robóticos situados em vários locais dos
hemisférios norte e sul. Os telescópios fazem um levantamento automático de
todo o céu, uma vez por dia, em busca de sinais de supernovas e outros
fenómenos transientes.
Em dezembro de 2020, o
levantamento detetou uma explosão de luz numa galáxia a cerca de 800 milhões de
anos-luz de distância. Essa parte específica do céu tinha estado relativamente
calma e escura até à deteção pelos telescópios, quando a galáxia subitamente se
iluminou por um fator de 1000.
Pasham, que por acaso viu a
deteção ser comunicada num alerta científico, escolheu focar-se na erupção com
o NICER (Neutron star Interior Composition Explorer) da NASA, um telescópio de
raios X a bordo da Estação Espacial Internacional que monitoriza continuamente
o céu em busca de explosões de raios X que possam assinalar atividade de
estrelas de neutrões, buracos negros e outros fenómenos gravitacionais
extremos.
O momento foi fortuito, pois
estava a chegar ao fim o período de um ano durante o qual Pasham tinha
autorização para apontar, ou "ativar", o telescópio.
"Era usá-lo ou perdê-lo, e
acabou por ser a minha melhor oportunidade", disse.
Treinou o NICER para observar a
galáxia longínqua enquanto esta continuava o seu surto. A explosão durou cerca
de quatro meses antes de se extinguir. Durante esse tempo, o NICER efetuou
medições das emissões de raios X da galáxia numa base diária e de alta
cadência. Quando Pasham analisou atentamente os dados, notou um padrão curioso
na erupção de quatro meses: quedas subtis, numa banda muito estreita de raios
X, que pareciam reaparecer a cada 8,5 dias.
Parecia que a explosão de energia
oriunda da galáxia diminuía periodicamente a cada 8,5 dias. O sinal é
semelhante ao que os astrónomos veem quando um planeta em órbita passa em
frente da sua estrela hospedeira, bloqueando brevemente a luz da estrela. Mas
nenhuma estrela seria capaz de bloquear uma erupção de uma galáxia inteira.
"Estava a coçar a cabeça
para perceber o que isto significava, porque este padrão não se encaixa em nada
do que sabemos sobre estes sistemas", recorda Pasham.
Aproveitando a
oportunidade
Enquanto procurava uma explicação
para as quedas periódicas, Pasham deparou-se com um artigo científico recente
de físicos teóricos da Chéquia. Os teóricos tinham descoberto, de forma
independente, que era teoricamente possível que um buraco negro supermassivo
central de uma galáxia albergasse um segundo buraco negro muito mais pequeno.
Esse buraco negro mais pequeno poderia orbitar a um ângulo do disco de acreção
do seu companheiro maior.
Uma simulação de um buraco negro de massa intermédia a orbitar um buraco negro supermassivo e a incitar plumas de gás periódicas que podem explicar as observações. Crédito: Petra Sukova, Instituto Astronómico da Academia Checa de Ciências
De acordo com a proposta dos teóricos, o buraco negro secundário perfuraria periodicamente o disco do buraco negro primário à medida que orbitasse. No processo, libertaria uma pluma de gás, como uma abelha a voar através de uma nuvem de pólen. Poderosos campos magnéticos, a norte e a sul do buraco negro, poderiam então atirar a pluma para cima e para fora do disco.De cada vez que o buraco negro
mais pequeno atravessasse o disco, ejetaria outra pluma num padrão regular e
periódico. Se essa pluma apontasse na direção de um telescópio em observação,
este poderia ver a pluma como uma queda na energia global da galáxia,
bloqueando brevemente, e de vez em quando, a luz do disco.
"Fiquei muito entusiasmado
com esta teoria e enviei-lhes imediatamente um e-mail a dizer: 'Acho que
estamos a observar exatamente o que a vossa teoria previu'", diz Pasham.
Ele e os cientistas checos
juntaram-se para testar a ideia, com simulações que incorporavam as observações
do NICER da explosão original e as quedas regulares de 8,5 dias. O que
descobriram apoia a teoria: a erupção observada foi provavelmente um sinal de
um segundo buraco negro mais pequeno, que orbita um buraco negro supermassivo
central e que perfura periodicamente o seu disco.
Especificamente, a equipa
descobriu que a galáxia estava relativamente calma antes da deteção de dezembro
de 2020. A equipe estima que o buraco negro supermassivo central da galáxia
tenha uma massa equivalente a 50 milhões de sóis. Antes da explosão, o buraco
negro pode ter tido um disco de acreção ténue e difuso em seu redor, enquanto
um segundo buraco negro mais pequeno, com 100 a 10.000 massas solares, orbitava
em relativa obscuridade.
Os investigadores suspeitam que,
em dezembro de 2020, um terceiro objeto - provavelmente uma estrela próxima -
se aproximou demasiado do sistema e foi dilacerada pela imensa gravidade do
buraco negro supermassivo - um evento que os astrónomos conhecem como
"evento de perturbação de marés".
O súbito fluxo de material
estelar iluminou momentaneamente o disco de acreção do buraco negro, à medida
que os detritos estelares se precipitavam no buraco negro. Ao longo de quatro
meses, o buraco negro alimentou-se dos detritos enquanto o segundo buraco negro
continuava a orbitar. Ao perfurar o disco, ejetava uma pluma muito maior do que
normalmente faria, que por acaso foi libertada diretamente na direção do
telescópio NICER.
A equipa realizou numerosas
simulações para testar as quedas periódicas. A explicação mais provável,
concluem, é um novo tipo de sistema "David e Golias" - um buraco
negro minúsculo, de massa intermédia, a girar em torno de um buraco negro supermassivo.
"É um cenário novo",
diz Pasham. "Não se enquadra em nada do que sabemos sobre estes sistemas.
Estamos a ver indícios de objetos a entrar e a atravessar o disco, em
diferentes ângulos, o que desafia a imagem tradicional de um simples disco
gasoso em torno de buracos negros. Pensamos que há uma enorme população destes
sistemas por aí".
"Este é um exemplo brilhante
de como usar os detritos de uma estrela dilacerada para iluminar o interior de
um núcleo galáctico que, de outra forma, permaneceria escuro. É como usar um
corante fluorescente para encontrar uma fuga num cano", diz Richard
Saxton, astrónomo de raios X do ESAC (European Space Astronomy Centre) em
Madrid, que não esteve envolvido no estudo. "Este resultado mostra que
binários de buracos negros supermassivos muito íntimos podem ser comuns nos
núcleos galácticos, o que é um desenvolvimento muito excitante para futuros
detetores de ondas gravitacionais."
Fonte: news.mit.edu
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