As medições do 'buraco negro pulsante' do IXPE desafiam as teorias atuais

Uma equipe internacional de astrônomos usando o IXPE ( Imaging X-ray Polarimetry Explorer ) da NASA desafiou nossa compreensão do que acontece com a matéria nas proximidades diretas de um buraco negro.

Esta ilustração de material girando 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 roxa flutuando acima do disco de acreção subjacente e estendendo-se ligeiramente para dentro de sua borda interna. O material dentro do disco de acreção interno é incrivelmente quente e brilharia com uma luz azul-esbranquiçada ofuscante, mas aqui o brilho foi reduzido para destacar a coroa com melhor contraste. Sua cor roxa é meramente ilustrativa, substituindo o brilho em raios X que não seria óbvio na luz visível. A distorção no disco é uma representação realista de como a imensa gravidade do buraco negro atua como uma lente óptica, distorcendo nossa visão do disco plano que o circunda. Crédito: NASA/Caltech-IPAC/Robert Hurt

Com o IXPE, os astrônomos podem estudar os raios X incidentes e medir a polarização , uma propriedade da luz que descreve a direção do seu campo elétrico.

O grau de polarização é uma medida do quão alinhadas essas vibrações estão entre si. Os cientistas podem usar o grau de polarização de um buraco negro para determinar a localização da coroa — uma região de plasma extremamente quente e magnetizado que circunda o buraco negro — e como ela gera raios X.

Em abril, astrônomos usaram o IXPE para medir um grau de polarização de 9,1% para o buraco negro IGR J17091-3624, muito maior do que o esperado com base em modelos teóricos.

"O buraco negro IGR J17091-3624 é uma fonte extraordinária que escurece e brilha como um batimento cardíaco, e o IXPE da NASA nos permitiu medir essa fonte única de uma maneira totalmente nova", disse Melissa Ewing, da Universidade de Newcastle, em Newcastle upon Tyne, Inglaterra, e principal autora do estudo publicado no Monthly Notices of the Royal Astronomical Society .

Em sistemas binários de raios X, um objeto extremamente denso, como um buraco negro, atrai matéria de uma fonte próxima, geralmente uma estrela vizinha. Essa matéria pode começar a girar, achatando-se em uma estrutura rotativa conhecida como disco de acreção.

A coroa, que se situa na região interna deste disco de acreção, pode atingir temperaturas extremas de até 1,8 bilhão de graus Fahrenheit e emitir raios X muito luminosos. Essas coroas ultraquentes são responsáveis por algumas das fontes de raios X mais brilhantes do céu.

Apesar de quão brilhante seja a coroa em IGR J17091-3624, a cerca de 28.000 anos-luz da Terra, ela continua pequena e distante demais para que os astrônomos capturem uma imagem dela.

"Normalmente, um alto grau de polarização corresponde a uma visão muito lateral da coroa. A coroa teria que ter um formato perfeito e ser vista no ângulo certo para se obter tal medição", disse Giorgio Matt, professor da Universidade de Roma Tre, na Itália, e coautor deste artigo. "O padrão de escurecimento ainda não foi explicado pelos cientistas e pode ser a chave para a compreensão desta categoria de buracos negros."

O companheiro estelar deste buraco negro não é brilhante o suficiente para que os astrônomos possam estimar diretamente o ângulo de visão do sistema, mas as mudanças incomuns no brilho observadas pelo IXPE sugerem que a borda do disco de acreção estava diretamente voltada para a Terra.

Os pesquisadores exploraram diferentes caminhos para explicar o alto grau de polarização.

Em um modelo, os astrônomos incluíram um "vento" de matéria levantada do disco de acreção e lançada para longe do sistema, um fenômeno raramente observado. Se os raios X da coroa encontrassem essa matéria em seu caminho para o IXPE, ocorreria o espalhamento Compton, levando a essas medições.

"Esses ventos são uma das peças mais importantes que faltam para entender o crescimento de todos os tipos de buracos negros ", disse Maxime Parra, que liderou a observação e trabalha com o tema na Universidade Ehime em Matsuyama, Japão. "Os astrônomos podem esperar que observações futuras produzam medições do grau de polarização ainda mais surpreendentes."

Outro modelo presumiu que o plasma na coroa poderia apresentar um fluxo de saída muito rápido. Se o plasma estivesse fluindo para fora a velocidades de até 20% da velocidade da luz, ou aproximadamente 199 milhões de quilômetros por hora, efeitos relativísticos poderiam aumentar a polarização observada.

Em ambos os casos, as simulações conseguiram recriar a polarização observada sem uma visão lateral muito específica. Os pesquisadores continuarão a modelar e testar suas previsões para melhor compreender o alto grau de polarização para pesquisas futuras.

Phys.com