IXPE da NASA ajuda pesquisadores a determinar a forma da coroa do buraco negro

Muitos buracos negros, assim chamados porque nem mesmo a luz consegue escapar de sua gravidade titânica, são cercados por discos de acreção , redemoinhos de gás cheios de detritos. 

Alguns buracos negros também têm jatos relativísticos – explosões ultrapoderosas de matéria lançadas ao espaço em alta velocidade por buracos negros que estão ativamente comendo material em seus arredores.

Esta ilustração de material a girar em torno de um buraco negro destaca uma característica particular, chamada "coroa", que brilha intensamente em raios X. Nesta representação, a coroa pode ser vista como uma névoa púrpura que flutua acima do disco de acreção subjacente, estendendo-se ligeiramente para dentro do seu bordo interior. O material no interior do disco de acreção é incrivelmente quente e brilharia com uma luz branco-azulada ofuscante, mas aqui foi reduzido o brilho para fazer sobressair a coroa com melhor contraste. A sua cor púrpura é meramente ilustrativa, representando o brilho dos raios X que não seria óbvio no visível. A deformação no disco é uma representação realista da forma como a imensa gravidade do buraco negro atua como uma lente ótica, distorcendo a nossa visão do disco plano que o rodeia. Crédito: NASA/Caltech-IPAC/Robert Hurt

Menos conhecido, talvez, é que buracos negros lanchadores, assim como o Sol da Terra e outras estrelas, também possuem uma corona superaquecida . Enquanto a corona do Sol, que é a atmosfera mais externa da estrela, queima a aproximadamente 1,8 milhões de graus Fahrenheit, a temperatura da corona de um buraco negro é estimada em bilhões de graus.

Astrofísicos já identificaram coroas entre buracos negros de massa estelar — aqueles formados pelo colapso de uma estrela — e buracos negros supermassivos, como o que fica no coração da Via Láctea.

“Os cientistas há muito especulam sobre a composição e geometria da corona”, disse Lynnie Saade, pesquisadora de pós-doutorado no Marshall Space Flight Center da NASA em Huntsville, Alabama, e autora principal das novas descobertas. “É uma esfera acima e abaixo do buraco negro, ou uma atmosfera gerada pelo disco de acreção, ou talvez plasma localizado na base dos jatos?”

Entra em cena o IXPE, especializado em polarização de raios X , a característica da luz que ajuda a mapear a forma e a estrutura até mesmo das fontes de energia mais poderosas, iluminando seu funcionamento interno mesmo quando os objetos são muito pequenos, brilhantes ou distantes para serem vistos diretamente.

Assim como podemos observar com segurança a corona do Sol durante um eclipse solar total , o IXPE fornece os meios para estudar claramente a geometria de acreção do buraco negro, ou a forma e a estrutura de seu disco de acreção e estruturas relacionadas, incluindo a corona.

“A polarização de raios X fornece uma nova maneira de examinar a geometria de acreção de buracos negros”, disse Saade. “Se a geometria de acreção de buracos negros for semelhante, independentemente da massa, esperamos que o mesmo seja verdade para suas propriedades de polarização.”

O IXPE demonstrou que, entre todos os buracos negros para os quais as propriedades coronais puderam ser medidas diretamente por meio de polarização, descobriu-se que a corona era estendida na mesma direção que o disco de acreção – fornecendo, pela primeira vez, pistas sobre o formato da corona e evidências claras de sua relação com o disco de acreção. Os resultados descartam a possibilidade de que a corona tenha o formato de um poste de luz pairando sobre o disco. 

A equipe de pesquisa estudou dados das observações do IXPE de 12 buracos negros, entre eles Cygnus X-1 e Cygnus X-3 , sistemas binários de buracos negros de massa estelar a cerca de 7.000 e 37.000 anos-luz da Terra, respectivamente, e LMC X-1 e LMC X-3, buracos negros de massa estelar na Grande Nuvem de Magalhães a mais de 165.000 anos-luz de distância.

O IXPE também observou uma série de buracos negros supermassivos, incluindo aquele no centro da galáxia Circinus , a 13 milhões de anos-luz da Terra, e aqueles nas galáxias NGC 1068 e NGC 4151 , a 47 milhões de anos-luz de distância e quase 62 milhões de anos-luz de distância, respectivamente.

Buracos negros de massa estelar normalmente têm uma massa de aproximadamente 10 a 30 vezes a do Sol da Terra, enquanto buracos negros supermassivos podem ter uma massa que é de milhões a dezenas de bilhões de vezes maior. Apesar dessas vastas diferenças em escala, dados do IXPE sugerem que ambos os tipos de buracos negros criam discos de acreção de geometria similar.

Isso é surpreendente, disse o astrofísico de Marshall Philip Kaaret, principal pesquisador da missão IXPE, porque a maneira como os dois tipos são alimentados é completamente diferente.

“Buracos negros de massa estelar arrancam massa de suas estrelas companheiras, enquanto buracos negros supermassivos devoram tudo ao redor deles”, ele disse. “No entanto, o mecanismo de acreção funciona da mesma maneira.”

Essa é uma perspectiva animadora, disse Saade, porque sugere que estudos de buracos negros de massa estelar — normalmente muito mais próximos da Terra do que seus primos muito mais massivos — podem ajudar a lançar nova luz sobre as propriedades dos buracos negros supermassivos também.

A equipe espera agora fazer exames adicionais de ambos os tipos.

Saade antecipa que há muito mais a ser colhido dos estudos de raios X desses gigantes. “O IXPE forneceu a primeira oportunidade em muito tempo para a astronomia de raios X revelar os processos subjacentes de acreção e desbloquear novas descobertas sobre buracos negros”, disse ela.

Fonte: nasa.gov