NASA/Pablo Garcia
Ilustração da NASA mostra a estrutura do jato de um buraco negro, tal como inferido por observações recentes do blazar Markarian 421 pelo IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer).
O blazar Markarian 421 surpreendeu os cientistas com evidências de que, na parte do jato onde as partículas estão a ser aceleradas, o campo magnético tem uma estrutura helicoidal.
O Universo contém muitos e poderosos buracos negros supermassivos que criam fortes jatos de partículas altamente energéticas, produzindo fontes de brilho extremo na vastidão do espaço.
Quando um desses jatos aponta diretamente para a Terra, os cientistas chamam blazar ao sistema que contém o buraco negro.
Para compreender por que razão as partículas do jato se movem com grandes velocidades e energias, os cientistas voltam-se para o IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer) da NASA, lançado em dezembro de 2021.
O IXPE mede uma propriedade especial da luz de raios-X chamada polarização, que tem a ver com a organização das ondas eletromagnéticas nas frequências de raios-X.
Esta semana, uma equipa internacional de astrofísicos publicou novas descobertas do IXPE sobre um blazar chamado Markarian 421.
Este blazar, localizado na direção da constelação da Ursa Maior, a cerca de 400 milhões de anos-luz da Terra, surpreendeu os cientistas com evidências de que, na parte do jato onde as partículas estão a ser aceleradas, o campo magnético tem uma estrutura helicoidal.
“Markarian 421 é um velho amigo dos astrónomos de alta energia”, disse a astrofísica da Agência Espacial Italiana Laura Di Gesu, autora principal do novo artigo.
“Tínhamos a certeza de que o blazar seria um alvo interessante para o IXPE, mas as suas descobertas foram além das nossas melhores expetativas, demonstrando com sucesso como a polarimetria de raios-X enriquece a nossa capacidade de sondar a complexa geometria do campo magnético e a aceleração de partículas em diferentes regiões de jatos relativistas”, acrescentou.
O novo estudo que detalha as descobertas da equipa do IXPE em Markarian 421 está publicado na última edição da Nature Astronomy.
Jatos como o que irradia de Markarian 421 podem estender-se por milhões de anos-luz. São especialmente brilhantes porque, à medida que as partículas se aproximam da velocidade da luz, libertam uma enorme quantidade de energia e comportam-se de formas estranhas que Einstein previu.
Os jatos dos blazares são assim extra brilhantes porque, tal como a sirene de uma ambulância soa mais alto à medida que se aproxima, a luz apontada na nossa direção também parece mais brilhante. É por isso que os blazares podem ofuscar todas as estrelas das galáxias que habitam.
Apesar de décadas de estudo, os cientistas ainda não compreendem totalmente os processos físicos que determinam a dinâmica e a emissão dos jatos dos blazares.
Mas a inovadora polarimetria de raios-X do IXPE — que mede a direção média do campo elétrico das ondas de luz — dá-lhes uma visão sem precedentes destes alvos, da sua geometria física e da origem das suas emissões.
Os modelos de investigação para o fluxo típico dos poderosos jatos apresentam normalmente uma estrutura helicoidal em espiral, semelhante à forma como o ADN humano está organizado. Mas os cientistas não esperavam que a estrutura em hélice contivesse regiões de partículas a serem aceleradas por choques.
O IXPE encontrou uma surpreendente variabilidade no ângulo de polarização durante três observações prolongadas de Markarian 421 em maio e junho de 2022.
“Tínhamos previsto que a direção da polarização pudesse mudar, mas pensámos que grandes rotações fossem raras, com base em observações óticas anteriores de muitos blazares”, disse Herman Marshall, físico investigador do MIT (Massachusetts Institute of Technology) em Cambridge e coautor do artigo.
“Por isso, planeámos várias observações do blazar, com a primeira a mostrar uma polarização constante de 15%.”
Notavelmente, acrescentou, a análise inicial dos dados de polarização do IXPE parecia mostrar que a polarização tinha caído para zero entre a primeira e a segunda observação.
“Depois reconhecemos que a polarização era na verdade quase a mesma, mas a sua direção deu literalmente uma volta, rodando quase 180 graus em dois dias”, disse Marshall.
“Depois voltou a surpreender-nos durante a terceira observação, que começou um dia mais tarde, ao observarmos que a direção da polarização continuava a rodar ao mesmo ritmo”, acrescentou.
Mais estranho ainda é que as medições simultâneas no visível, no infravermelho e no rádio não mostraram qualquer alteração na estabilidade ou na estrutura – mesmo quando as emissões de raios-X polarizados se desviaram.
Isto significa que uma onda de choque pode estar a propagar-se ao longo de campos magnéticos em espiral no interior do jato.
O conceito de uma onda de choque que acelera as partículas do jato é consistente com as teorias acerca de Markarian 501, um segundo blazar observado pelo IXPE que levou a um estudo publicado no final de 2022.
Mas o seu primo Markarian 421 mostra evidências mais claras de um campo magnético helicoidal contribuindo para o choque.
Di Gesu, Marshall e colegas estão ansiosos por realizar mais observações de Markarian 421 e de outros blazares para aprender mais sobre estas flutuações do jato e com que frequência elas ocorrem.
“Graças ao IXPE, esta é uma altura empolgante para o estudo dos jatos astrofísicos”, disse Di Gesu.
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