Em uma descoberta cósmica, astrônomos medem a rotação de um buraco negro supermassivo

Raios-X de material oscilante em torno de um buraco negro maciço permitiram que os pesquisadores registrassem sua rotação. As descobertas podem revelar como buracos negros supermassivos se formam e crescem.

Esta é uma impressão artística do quasar recorde J059-4351. É o núcleo brilhante de uma galáxia distante que é alimentado por um buraco negro supermassivo como o estudado nesta nova pesquisa. Crédito: ESO/M. Kornmesser 

Buracos negros supermassivos estão nos centros de todas as grandes galáxias. E um grupo de astrônomos, incluindo pesquisadores do MIT e da Nasa, mediu, pela primeira vez, a velocidade com que um desses gigantes está girando. Eles fizeram isso analisando as consequências da recente refeição de coisas estelares do buraco negro. 

Essa técnica pioneira faz uso de eventos de ruptura de maré (TDEs), que ocorrem quando uma estrela passa muito perto de um buraco negro e é dilacerada como resultado. Isso cria um disco brilhante e giratório de material estelar ao redor do buraco negro, conhecido como disco de acreção. 

A equipe, liderada pelo cientista de pesquisa do MIT Dheeraj "DJ" Pasham, rastreou flashes de raios-X do buraco negro por vários meses. Esses flashes, concluíram, foram gerados quando o disco de acreção recém-criado balançava para frente e para trás sob a influência do próprio giro do buraco negro central.

 Isso porque, à medida que um buraco negro gira, ele arrasta consigo o tecido adjacente do espaço-tempo, o que pode afetar objetos próximos — como um disco de acreção. Assim, ao descobrir a natureza dessa influência, a equipe pôde calcular a velocidade com que o buraco negro está girando: a uma taxa de menos de 25% da velocidade da luz. Relativamente falando, isso é bem lento.

Agora, o método pode ser aplicado em outros lugares a talvez centenas de outros buracos negros próximos, de acordo com Pasham. Em um comunicado à imprensa que acompanha a publicação do estudo, ele disse que "estudando vários sistemas nos próximos anos com esse método, os astrônomos podem estimar a distribuição geral dos spins dos buracos negros e entender a questão de longa data de como eles evoluem ao longo do tempo".

Como crescer um buraco negro supermassivo

Buracos negros supermassivos são, como o nome indica, o maior tipo de buraco negro. Suas massas variam de centenas de milhares a milhões ou até bilhões de massas solares.

"Os buracos negros crescem de duas maneiras: ou acrescido de gás ou fundindo-se com outros buracos negros", diz James Miller-Jones, professor do Centro Internacional de Pesquisa em Radioastronomia da Universidade Curtin.

No entanto, não está claro exatamente como e quando os buracos negros supermassivos cresceram até seu tamanho atual. "É desafiador cultivar os buracos negros observados mais massivos no tempo disponível", diz Miller-Jones. "Uma melhor compreensão dos spins dos buracos negros poderia ajudar a explicar como alguns dos gigantes cósmicos - buracos negros de vários bilhões de massas solares ou mais - cresceram para suas massas observadas no tempo disponível." 

Isso porque, diz ele, a maneira como um buraco negro foi crescido se reflete em sua rotação. Buracos negros que simplesmente acresciam material de um disco estável devem girar rapidamente. Mas "acreções mais caóticas, como de eventos de ruptura de maré, onde a órbita inicial da estrela triturada poderia estar em qualquer direção, devem levar a spins mais baixos", diz ele. 

O último efeito é porque "alguns episódios [de TDE] girariam o buraco negro em uma direção e outros na direção oposta", diz Adam Ingram, professor de astrofísica da Universidade de Newcastle, no Reino Unido. 

Então, no geral, diz Ingram, medir a rotação do buraco negro é, portanto, a chave para entender como as galáxias se formaram e cresceram em conjunto com seu buraco negro supermassivo central. 

"Este estudo descobriu que o buraco negro supermassivo tem uma rotação bastante modesta, o que implica que ele cresceu por meio de muitos episódios curtos e agudos", diz Ingram.Um valioso trampolim do conhecimento

Além disso, Rob Fender, chefe de astrofísica da Universidade de Oxford, diz que ser capaz de medir o spin de um buraco negro e entender como ele afeta o espaço-tempo ao seu redor é um teste-chave da relatividade geral e da astrofísica. 

"É hipotetizado – e até aceito como paradigma em alguns setores – que você precisa de um buraco negro em rápida rotação para produzir os poderosos jatos relativísticos que vemos com radiotelescópios. Se mais estudos como esse puderem medir de forma convincente os spins dos buracos negros e comparar com estimativas independentes de potência do jato, isso é um avanço importante", diz Fender. 

É claro que os buracos negros são notoriamente difíceis de estudar, observa Michael Nowak, professor de física da Universidade de Washington, em St. Louis, Missouri. "Os buracos negros nos dão tão poucas 'dimensões' para trabalhar – praticamente apenas massa e rotação, e secundariamente idade, e talvez em terceiro lugar o tipo de galáxia em que está – que tentar separar suas diferenças para entender sua formação é realmente difícil", diz ele. "Quanto melhor conseguirmos controlar massa, rotação, idade e localização – e o spin é de longe o mais complicado desses quatro para identificar e medir – melhores serão nossas perspectivas de entender sua formação." 

Miller-Jones também acredita que a técnica desenvolvida pela equipe de Pasham é "uma grande promessa" para o futuro. "Os buracos negros são objetos extremos que não podemos recriar em um laboratório aqui na Terra. Qualquer melhoria em nossa compreensão dos buracos negros nos diz mais sobre o comportamento da massa e da gravidade nas densidades mais extremas", diz ele. 

Além disso, acrescenta, este estudo complementa o trabalho atual de ondas gravitacionais para detectar buracos negros em fusão, enquanto futuras observações da antena espacial Laser Interferometer, prevista para ser lançada em cerca de uma década, podem ser capazes de detectar diretamente buracos negros supermassivos em fusão. 

"Combinar as informações sobre fusões de buracos negros desses observatórios de ondas gravitacionais com as de estudos eletromagnéticos, como essa técnica de raios-X, deve melhorar significativamente nossa compreensão de como os buracos negros supermassivos crescem e evoluem ao longo do tempo", diz ele.

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