NASA capta erupção gigante de raios-X em buraco negro supermassivo

JPL-Caltech / NASA

Impressão de artista de um buraco negro supermassivo, rodeado por um disco rodopiante de material que cai na sua direção.

Impressão de artista de um buraco negro supermassivo, rodeado por um disco rodopiante de material que cai na sua direção.

Dois telescópios espaciais da NASA, o Swift e o NuSTAR, apanharam um buraco negro supermassivo a meio de uma erupção gigante de raios-X, ajudando os astrónomos a resolver um quebra-cabeças em curso: como é que os buracos negros supermassivos entram em erupção?

Os comportamentos estranhos e desconcertantes dos buracos negros tornaram-se recentemente um pouco menos misteriosos, graças a novas observações das missões Swift e NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array) da NASA.

Os resultados sugerem que os buracos negros supermassivos enviam feixes de raios-X quando as suas coroas circundantes – fontes de partículas extremamente energéticas – são disparadas, ou lançadas, para longe dos buracos negros.

“Esta é a primeira vez que fomos capazes de ligar o lançamento da coroa com uma erupção,” afirma Dan Wilkins, investigador da Universidade Saint Mary em Halifax, no Canadá, e autor principal de um novo artigo, publicado na Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

“Isto vai ajudar-nos a compreender como é que os buracos negros supermassivos alimentam alguns dos objetos mais brilhantes do Universo”, diz Wilkins.

Os buracos negros supermassivos, propriamente ditos, não emitem luz, mas são muitas vezes cercados por discos de material quente e incandescente.

A gravidade do buraco negro puxa gás na sua direção, aquecendo-o e fazendo com que brilhe em diferentes comprimentos de onda.

Outra fonte de radiação perto de um buraco negro é a coroa. As coroas são constituídas por partículas altamente energéticas que geram raios-X, mas os detalhes acerca da sua aparência, e como se formam, não são claros.

Os astrónomos pensam que as coroas têm uma de duas configurações possíveis. O modelo “poste de iluminação” diz que são fontes de luz, parecidas com lâmpadas, que ficam acima e por baixo do buraco negro, ao longo do seu eixo de rotação.

O outro modelo propõe que as coroas são distribuídas de forma mais difusa, quer como uma nuvem maior em redor do buraco negro, ou como uma “sanduíche” que envolve o disco de material como fatias de pão.

Na verdade, é possível que as coroas alternem entre ambas as configurações de “poste de iluminação” e “sanduíche”.

Mas os novos dados suportam o modelo de “poste de iluminação” – e demonstram, com o mais alto detalhe até agora, como é que as coroas em forma de lâmpada se movem.

As observações começaram quando o Swift, que monitoriza o céu em busca de explosões cósmicas de raios-X e raios-gama, avistou um grande clarão vindo do buraco negro supermassivo chamado Markarian 335, ou Mrk 335, localizado a 324 milhões de anos-luz de distância na direção da constelação de Pégaso.

Este buraco negro supermassivo, situado no centro de uma galáxia, já foi uma das mais brilhantes fontes de raios-X do céu.

“Algo muito estranho aconteceu em 2007, quando o Mrk 335 desvaneceu por um fator de 30. O que descobrimos é que ele continua a entrar em erupção, mas nunca mais atingiu os níveis de brilho e estabilidade anteriormente observados,” afirma Luigi Gallo, investigador da Universidade Saint Mary.

Outro co-autor, Dirk Grupe, investigador da Universidade Estatal Morehead, no estado americano do Kentucky, tem vindo a utilizar o Swift para monitorizar regularmente o buraco negro desde 2007.

Em setembro de 2014, o Swift apanhou o Mrk 335 numa grande erupção.

Assim que Gallo ficou ao corrente da situação, enviou um pedido à equipa do NuSTAR para seguir rapidamente o objeto como parte do programa “alvo de oportunidade“, onde o calendário previamente planeado é interrompido para eventos importantes.

Oito dias mais tarde, o NuSTAR ajustou os seus olhos de raios-X no alvo, testemunhando a metade final do evento.

Depois de uma análise cuidadosa dos dados, os astrónomos perceberam que estavam a observar a ejeção, e eventual colapso, da coroa do buraco negro.

JPL-Caltech / NASA

Este diagrama mostra como a mudança de uma característica, chamada coroa, pode criar uma erupção de raios-X em redor de um buraco negro. A coroa (característica representada em cores roxas) colapsa (esquerda), torna-se mais brilhante, antes de ser ejetada pelo buraco negro (painel do centro e da direita). Os astrónomos não sabem porque é que as coroas mudam, mas aprenderam que este processo leva a um aumento de raios-X que pode ser observado pelos telescópios.

Este diagrama mostra como a mudança de uma característica, chamada coroa, pode criar uma erupção de raios-X em redor de um buraco negro. A coroa (característica representada em cores roxas) colapsa (esquerda), torna-se mais brilhante, antes de ser ejetada pelo buraco negro (painel do centro e da direita). Os astrónomos não sabem porque é que as coroas mudam, mas aprenderam que este processo leva a um aumento de raios-X que pode ser observado pelos telescópios.

“Inicialmente, a coroa colapsou para dentro e, em seguida, foi lançada para cima como um jato,” afirma Wilkins.

“Ainda não sabemos como os jatos dos buracos negros se formam, mas é uma possibilidade empolgante que a coroa deste buraco negro estivesse a começar a formar a base de um jato antes de ter entrado em colapso.”

Como é que os investigadores sabem que a coroa se moveu?

A coroa liberta raios-X que tem um espectro ligeiramente diferente – “cores” de raios-X – do que a radiação oriunda do disco em redor do buraco negro.

Ao analisar o espectro de raios-X de Mrk 335 na gama de comprimentos de onda observados pelo Swift e pelo NuSTAR, os investigadores puderam discernir que os raios-X da coroa tinham aumentado de brilho – e que este brilho era devido ao movimento da coroa.

As coroas podem mover-se muito rapidamente. A coroa associada com Mrk 335, segundo os cientistas, viajava a cerca de 20% da velocidade da luz.

Quando isto acontece, a coroa é lançada na nossa direção e a sua luz aumenta num efeito chamado reforço Doppler relativista.

Os resultados mostram que a erupção de raios-X deste buraco negro foi provocada pela ejeção da coroa.

“A natureza da fonte energética de raios-X que chamamos coroa é misteriosa, mas agora que temos a capacidade de ver mudanças dramáticas como esta, estamos a recolher pistas sobre o seu tamanho e estrutura,” afirma Fiona Harrison, investigadora principal do NuSTAR, no Instituto de Tecnologia da Califórnia em Pasadena, EUA, que não esteve envolvida no estudo.

Muitos outros mistérios dos buracos negros permanecem.

Por exemplo, os astrónomos querem compreender o que despoleta, antes de mais, a ejeção da coroa.

CCVAlg

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