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 principal 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”, acrescenta o investigador.
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.
De acordo com a proposta, 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.
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.
“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.
Pasham 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.
Especificamente, a equipa descobriu que a galáxia estava relativamente calma antes da deteção de dezembro de 2020. A equipa 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”, conclui Saxton.
