Surto violento de buraco negro fornece novas informações sobre a evolução de enxames galácticos

ESO/WFI, MPIfR/ESO/APEX/A. Weiss et al., NASA/CXC/CfA/R. Kraft et al.

Há milhares de milhões de anos, no centro de um enxame de galáxias muito longínquo (15 mil milhões de anos-luz, para sermos exatos; este valor é a distância própria, que é diferente do tempo de viagem da luz até nós), um buraco negro expeliu jatos de plasma.

À medida que o plasma saía do buraco negro, empurrava material, criando duas cavidades a 180 graus uma da outra. Da mesma forma que podemos calcular a energia de um impacto de asteroide pelo tamanho da sua cratera, Michael Calzadilla, estudante no Instituto Kavli de Astrofísica e Investigação Espacial, usou o tamanho destas cavidades para descobrir o poder da explosão do buraco negro.

Num artigo publicado recentemente na revista The Astrophysical Journal Letters, Calzadilla e coautores descrevem o surto no enxame galáctico SPT-CLJ0528-5300, ou SPT-0528 para abreviar. Combinando o volume e a pressão do gás deslocado com a idade das duas cavidades, foram capazes de calcular a energia total da explosão.

Com uma energia superior a 1054 joules, uma força equivalente a mais ou menos 1038 bombas nucleares, esta é a erupção mais poderosa já relatada num enxame galáctico distante. Os coautores do artigo incluem Matthew Bayliss e o professor assistente de física Michael McDonald, ambos do mesmo instituto.

O Universo está repleto de enxames de galáxias, coleções de centenas e até milhares de galáxias permeadas com gás quente e matéria escura. No centro de cada aglomerado, há um buraco negro que passa por períodos de alimentação, onde devora o plasma do enxame, seguidos por períodos de surtos explosivos, em que dispara jatos de plasma.

“Este é um caso extremo da fase de explosão,” diz Calzadilla sobre a observação de SPT-0528. Embora a explosão tenha acontecido há milhares de milhões de anos, antes da formação do Sistema Solar, a luz do enxame de galáxias demorou cerca de 6,7 mil milhões de anos até chegar ao Chandra, o observatório de raios-X da NASA que orbita a Terra.

Dado que os enxames de galáxias estão cheios de gás, as primeiras teorias previram que, à medida que o gás arrefecia, os enxames teriam altas taxas de formação estelar, formação esta que precisa de gás frio. No entanto, estes aglomerados não são tão frios como o previsto e, como tal, não estavam a produzir novas estrelas à taxa esperada.

Algo estava a impedir que o gás arrefecesse completamente. Os culpados eram buracos negros supermassivos, cujas explosões de plasma mantêm o gás demasiado quente nos enxames de galáxias para a rápida formação de estrelas.

A explosão registada em SPT-0528 tem outra peculiaridade que a diferencia de outras explosões de buracos negros. É desnecessariamente grande. Os astrónomos veem o processo de arrefecimento do gás e libertação de gás quente dos buracos negros como um equilíbrio que mantém a temperatura no enxame de galáxias – que ronda os 10 milhões de graus Celsius – estável. “É como um termostato,” diz McDonald. A explosão de SPT-0528, no entanto, não está em equilíbrio.

De acordo com Calzadilla, se determinarmos a quantidade de energia libertada à medida que o gás arrefece para o buraco negro vs. a quantidade de energia contida na explosão, esta última é largamente superior. Na analogia de McDonald, a explosão de SPT-0528 é um termostato com defeito. “É como se arrefecêssemos o ar 2 graus e a resposta do termostato seria aquecer a sala 100 graus,” explicou McDonald.

No início de 2019, McDonald e colegas divulgaram um artigo que analisava um enxame de galáxias diferente, que exibe um comportamento completamente oposto ao de SPT-0528. Em vez de uma explosão desnecessariamente violenta, o buraco negro neste enxame, o Enxame da Fénix, não é capaz de impedir o arrefecimento do gás. Ao contrário de todos os outros enxames galácticos conhecidos, o da Fénix está repleto de berçários estelares, o que o diferencia da maioria dos enxames de galáxias.

“Com estes dois enxames de galáxias, estamos realmente a olhar para os limites do que é possível nos dois extremos,” diz McDonald acerca do enxame SPT-0528 e do Enxame da Fénix. Ele e Calzadilla também vão caracterizar enxames de galáxias mais normais, a fim de entender a evolução dos aglomerados de galáxias ao longo do tempo cósmico. Para explorar isto, Calzadilla está a caracterizar 100 enxames de galáxias.

A razão para a caracterização de uma coleção tão grande de enxames galácticos é porque cada imagem telescópica captura os enxames num momento específico no tempo, enquanto os seus comportamentos ocorrem ao longo do tempo cósmico.

Estes aglomerados cobrem uma variedade de distâncias e idades, permitindo que Calzadilla investigue como as propriedades dos enxames mudam ao longo do tempo cósmico. “Estas são escalas de tempo muito maiores do que uma escala humana ou que podemos observar,” explica Calzadilla.

A investigação é semelhante à de um paleontólogo que tenta reconstruir a evolução de um animal a partir de um registo fóssil esparso. Mas, em vez de ossos, Calzadilla está a estudar enxames de galáxias, variando de SPT-0528 (com a sua violenta explosão de plasma) numa extremidade até ao Enxame da Fénix (com o seu rápido arrefecimento) na outra. “Estamos a observar diferentes instantâneos no tempo,” diz Calzadilla.

“Se construirmos amostras suficientemente grandes de cada um destes instantâneos, podemos ter uma noção de como um enxame de galáxias evolui.”

// CCVAlg

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