Os buracos negros produzem a luz mais brilhante do Universo. Já sabemos porquê

Pablo Garcia / NASA

Os cientistas descobriram o mecanismo que produz a incrível luz de alta energia que nos chega de há milhares de milhões de anos.

Os buracos negros são algumas das luzes mais brilhantes do Universo. No entanto, na realidade alguns não são os buracos negros em si. Trata-se do material à sua volta, uma vez que eles se arrastam ativamente por vastas quantidades de matéria do seu ambiente imediato.

Entre os mais brilhantes destes redemoinhos de material quente rodopiante estão galáxias conhecidas como blazars. Não só brilham com o calor, como também canalizam o material em feixes ‘abrasadores’ que fazem zoom através do cosmos, libertando radiação eletromagnética a energias difíceis de compreender.

Os cientistas descobriram o mecanismo que produz a incrível luz de alta energia que nos chega de há milhares de milhões de anos: choques nos jatos do buraco negro que aumentam a velocidade das partículas até às velocidades de sopro da mente.

“Este é um mistério com 40 anos que resolvemos”, diz o astrónomo Yannis Liodakis do Centro Finlandês de Astronomia com ESO (FINCA), citado pelo Science Alert. “Finalmente temos todas as peças do puzzle e a imagem que eles formaram era clara”.

A pesquisa foi apresentada num artigo publicado a semana passada na revista Nature.

A maioria das galáxias do Universo são construídas em torno de um buraco negro supermassivo. Estes objetos muito grandes sentam-se no centro galáctico, por vezes fazendo muito pouco e, por vezes, o oposto.

Esta atividade consiste em acumular material, ou seja, uma grande nuvem reúne-se num disco equatorial em torno do buraco negro, circundando-o como água em torno de um dreno.

As interações friccionais e gravitacionais à volta de um buraco negro fazem com que este material aqueça e brilhe intensamente através de uma gama de comprimentos de onda. Esta é uma das fontes de luz de um buraco negro.

Pablo Garcia / NASA

Ilustração mostra a nave espacial IXPE da NASA, à direita, observando o blazar Markarian 501, à esquerda. Um blazar é um buraco negro rodeado por um disco de gás e poeira com um jato brilhante de partículas altamente energéticas apontado para a Terra.

A outra — a que está em jogo em blazars — são jatos gémeos de material lançados das regiões polares fora do buraco negro, perpendiculares ao disco.

Pensa-se que estes jatos são material da borda interior do disco que, em vez de cair em direção ao buraco negro, é acelerado ao longo das linhas externas do campo magnético até aos pólos, onde é lançado a velocidades muito elevadas, próximas da velocidade da luz.

Para que uma galáxia seja classificada como blazar, estes jactos têm de ser apontados quase diretamente para o observador. Isto somos nós, na Terra. Graças à aceleração extrema das partículas, eles ardem com luz através do espectro eletromagnético, incluindo raios gama e raios X de alta energia.

A forma exata como este jato acelera as partículas a velocidades tão elevadas tem sido um ponto de interrogação cósmico gigantesco durante décadas.

Mas agora, um novo e poderoso telescópio de raios X chamado Explorador de Polarimetria de Raios X (IXPE), lançado em Dezembro de 2021, deu aos cientistas a chave para resolver o mistério. É o primeiro telescópio espacial que revela a orientação, ou polarização, dos raios X.

“As primeiras medições de polarização por raios X desta classe de fontes permitiram, pela primeira vez, uma comparação direta com os modelos desenvolvidos a partir da observação de outras frequências de luz, desde o rádio até raios gama de muito alta energia”, descreve o astrónomo Immacolata Donnarumma da Agência Espacial Italiana.

IXPE foi transformado no mais brilhante objeto de alta energia do nosso céu, um blazar chamado Markarian 501, localizado a 460 milhões de anos-luz de distância na constelação de Hércules. Durante um total de seis dias, em Março de 2022, o telescópio recolheu dados sobre a luz de raios X emitida pelo jato do blazar.

Ao mesmo tempo, outros observatórios mediam a luz de outros comprimentos de onda, desde o rádio ao ótico, que anteriormente eram os únicos dados disponíveis para Markarian 501.

A equipa rapidamente notou uma diferença curiosa na luz de raios X. A sua orientação era significativamente mais torcida, ou polarizada, do que os comprimentos de onda de menor energia. E a luz ótica era mais polarizada do que as frequências de rádio.

No entanto, a direção da polarização era igual para todos os comprimentos de onda e alinhada com a direção do jato. Isto, a equipa encontrou, é consistente com modelos em que os choques nos jatos produzem ondas de choque que proporcionam uma aceleração adicional ao longo do comprimento do jato.

Mais perto do choque, esta aceleração está no seu ponto mais alto, produzindo radiações X. Mais longe ao longo do jato, as partículas perdem energia, produzindo uma ótica de menor energia e depois emissão de rádio, com menor polarização.

“À medida que a onda de choque atravessa a região, o campo magnético fica mais forte, e a energia das partículas aumenta“, diz o astrónomo Alan Marscher da Universidade de Boston. “A energia vem da energia do movimento do material que faz a onda de choque“.

Ainda não é claro o que cria os choques, mas um dos mecanismos possíveis é o material mais rápido no jato a apanhar segmentos de movimento mais lento, resultando em colisões. A investigação futura poderia ajudar a confirmar esta hipótese.

Uma vez que os blazares estão entre os aceleradores de partículas mais poderosos do Universo, e um dos melhores laboratórios para a compreensão da física extrema, esta investigação marca uma peça bastante importante do puzzle.

A futura investigação continuará a observar Markarian 501, e a transformar IXPE em outros blazares para ver se uma polarização semelhante pode ser detetada.

  ZAP //

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