Chandra da NASA encontra buraco negro com crescimento tremendo

Um buraco negro está crescendo a uma das taxas mais rápidas já registradas, de acordo com uma equipe de astrônomos. Esta descoberta do Observatório de Raios X Chandra da NASA pode ajudar a explicar como alguns buracos negros podem atingir massas enormes com relativa rapidez após o Big Bang. 

 Concepção artística de um buraco negro supermassivo, com um disco circundante de material caindo em direção ao buraco negro e um jato contendo partículas se afastando a uma velocidade próxima à da luz. Este buraco negro representa um quasar recém-descoberto alimentado por um buraco negro. Novas observações do Chandra indicam que o buraco negro está crescendo a uma taxa que excede o limite usual para buracos negros, chamado Limite de Eddington. Crédito: NASA/CXC/SAO/M. Weiss Raio X: NASA/CXC/INAF-Brera/L. Ighina et al.; Ilustração: NASA/CXC/SAO/M. Weiss; Processamento de imagem: NASA/CXC/SAO/N. Wolk

O buraco negro pesa cerca de um bilhão de vezes a massa do Sol e está localizado a cerca de 12,8 bilhões de anos-luz da Terra, o que significa que os astrônomos o estão observando apenas 920 milhões de anos após o início do universo. Ele está produzindo mais raios X do que qualquer outro buraco negro visto no primeiro bilhão de anos do universo.

O buraco negro alimenta o que os cientistas chamam de quasar, um objeto extremamente brilhante que ofusca galáxias inteiras. A fonte de energia desse monstro brilhante são grandes quantidades de matéria que se canalizam e entram no buraco negro.

Embora a mesma equipe o tenha descoberto há dois anos, foram necessárias observações do Chandra em 2023 para descobrir o que diferencia este quasar, RACS J0320-35. Os dados de raios X revelam que este buraco negro parece estar crescendo a uma taxa que excede o limite normal para esses objetos.

“Foi um pouco chocante ver esse buraco negro crescendo aos trancos e barrancos”, disse Luca Ighina, do Centro de Astrofísica | Harvard & Smithsonian em Cambridge, Massachusetts, que liderou o estudo.

Quando a matéria é puxada em direção a um buraco negro, ela é aquecida e produz radiação intensa em um amplo espectro, incluindo raios X e luz óptica. Essa radiação cria pressão sobre o material em queda. Quando a taxa de queda da matéria atinge um valor crítico, a pressão da radiação equilibra a gravidade do buraco negro, e a matéria normalmente não consegue cair mais rapidamente. Esse máximo é chamado de limite de Eddington.

Cientistas acreditam que buracos negros que crescem mais lentamente do que o limite de Eddington precisam nascer com massas de cerca de 10.000 sóis ou mais para que possam atingir um bilhão de massas solares dentro de um bilhão de anos após o Big Bang — como foi observado no RACS J0320-35. Um buraco negro com uma massa de nascimento tão alta poderia resultar diretamente de um processo exótico: o colapso de uma enorme nuvem de gás denso contendo quantidades anormalmente baixas de elementos mais pesados ​​que o hélio, condições que podem ser extremamente raras.

Se o RACS J0320-35 estiver de fato crescendo a uma taxa alta — estimada em 2,4 vezes o limite de Eddington — e tiver feito isso por um período de tempo sustentado, seu buraco negro pode ter começado de uma forma mais convencional, com uma massa menor que cem sóis, causada pela implosão de uma estrela massiva. 

"Conhecendo a massa do buraco negro e calculando a sua velocidade de crescimento, podemos trabalhar de trás para frente para estimar a sua massa ao nascer", disse o coautor Alberto Moretti, do INAF-Osservatorio Astronomico di Brera, na Itália. "Com este cálculo, podemos agora testar diferentes ideias sobre como os buracos negros nascem."

Para descobrir a velocidade de crescimento deste buraco negro (entre 300 e 3.000 sóis por ano), os pesquisadores compararam modelos teóricos com a assinatura de raios X, ou espectro, do Chandra, que fornece as quantidades de raios X em diferentes energias. Eles descobriram que o espectro do Chandra correspondia muito ao que esperavam de modelos de um buraco negro crescendo mais rápido que o limite de Eddington. Dados de luz óptica e infravermelha também corroboram a interpretação de que este buraco negro está acumulando massa mais rápido do que o limite de Eddington permite.

"Como o universo criou a primeira geração de buracos negros?", disse o coautor Thomas of Connor, também do Centro de Astrofísica. "Esta continua sendo uma das maiores questões da astrofísica, e este objeto está nos ajudando a encontrar a resposta."

Outro mistério científico abordado por este resultado diz respeito à causa dos jatos de partículas que se afastam de alguns buracos negros a velocidades próximas à da luz, como observado no RACS J0320-35. Jatos como esse são raros em quasares, o que pode significar que a rápida taxa de crescimento do buraco negro esteja de alguma forma contribuindo para a criação desses jatos.

O quasar foi descoberto anteriormente como parte de um levantamento de radiotelescópio usando o Australian Square Kilometer Array Pathfinder, combinado com dados ópticos da Dark Energy Camera, um instrumento montado no Telescópio Victor M. Blanco de 4 metros no Observatório Interamericano de Cerro Tololo, no Chile. O Telescópio Gemini-Sul do Laboratório Nacional de Pesquisa em Astronomia Óptica e Infravermelha da Fundação Nacional de Ciências dos EUA, em Cerro Pachón, Chile, foi usado para obter a distância precisa do RACS J0320-35.

O Centro de Voos Espaciais Marshall da NASA, em Huntsville, Alabama, gerencia o programa Chandra. O Centro de Raios-X Chandra, do Observatório Astrofísico Smithsoniano, controla as operações científicas de Cambridge e as operações de voo de Burlington, Massachusetts.

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