Buraco Negro Observado com Detalhes sem Precedentes

Recorrendo a uma técnica semelhante à ecolocalização, os cientistas conseguiram mapear com detalhes sem precedentes a região em torno do horizonte de eventos de um buraco negro longínquo.

Monday, January 27, 2020,
Por Nadia Drake
Esta ilustração mostra um espesso disco de acreção a girar em torno das mandíbulas de um ...
Esta ilustração mostra um espesso disco de acreção a girar em torno das mandíbulas de um buraco negro supermassivo. As intermitências de luz raios-X do disco criam "ecos" que os cientistas conseguem usar para mapear a sua estrutura interna – muito para além do que qualquer telescópio consegue observar diretamente.
Fotografia de NASA/SWIFT/AURORE SIMONNET, SONOMA STATE UNIV. (ILUSTRAÇÃO)

No ano passado, através de um enorme empreendimento que surpreendeu o mundo, os cientistas conseguiram divulgar a primeira imagem direta de um buraco negro, permitindo à humanidade vislumbrar as mandíbulas deste fenómeno. Agora, os astrónomos usaram uma técnica diferente – que envolve "ecos" de raios-X – para observar ainda mais de perto um destes gigantes gravitacionais.

O buraco negro em questão fica na região central de uma galáxia chamada IRAS 13224-3809, a cerca de mil milhões de anos-luz de distância da Terra. Este objeto supermassivo está rodeado por um disco giratório de matéria que é revestido por uma coroa de raios-X, com uma temperatura superior a mil milhões de graus. Mapeando a forma como estes raios-X se comportam, os cientistas conseguiram criar um mapa extremamente detalhado da região em torno do horizonte de eventos do buraco negro, uma zona que, quando ultrapassada, nem a luz escapa.

“Os buracos negros não emitem luz, portanto, a única forma de os estudarmos é através da observação da matéria que cai nos mesmos”, diz William Alston, da Universidade de Cambridge, cuja equipa publicou as observações na Nature Astronomy.

Este método tem uma precisão muito mais elevada do que a oferecida pelo Telescópio Event Horizon – que produziu a imagem do buraco negro do ano passado. As novas medições do buraco negro de IRAS 13224-3809 ajudaram os cientistas a determinar a sua massa e rotação, propriedades que podem revelar pistas vitais sobre a evolução do fenómeno. Caso seja possível fazer medições semelhantes numa população maior de buracos negros supermassivos, os cientistas podem aprender muito mais sobre a forma como as galáxias crescem.

"Compreender a distribuição giratória dos buracos negros em várias galáxias pode revelar como é que passámos do universo primordial para o que temos na agora", diz Alston.

Eco-mapeamento
Apesar do seu nome inócuo, a IRAS 13224-3809 é uma das galáxias mais emocionantes para estudar raios-X: é uma galáxia ativa, o que significa que a sua região interna tem um brilho intenso que não pode ser explicado apenas pelas suas estrelas, e o brilho dos seus raios-X flutua com um fator de 50, às vezes em apenas algumas horas. Alston e os seus colegas optaram por estudar esta galáxia em particular porque queriam uma fonte dinâmica e flutuante que os pudesse ajudar a identificar propriedades específicas do seu buraco negro supermassivo.

Alston e a sua equipa estudaram a IRAS 13224-3809 usando a sonda XMM-Newton da Agência Espacial Europeia. A XMM-Newton, um telescópio que orbita a Terra e que estuda o cosmos em raios-X, observou a galáxia ao longo de 16 órbitas – totalizando mais de 550 horas de observação – entre 2011 e 2016.

A partir deste conjunto de dados, a equipa criou um mapa da coroa de raios-X do buraco negro supermassivo e do seu disco de acreção – um anel de matéria giratória que fica na parte de fora do horizonte de eventos. Alguns dos raios-X emitidos vão diretamente para o cosmos, mas outros batem no disco de acreção e demoram mais tempo a sair do seu ambiente imediato.

“Este comprimento extra no trajeto provoca um atraso entre os raios-X que foram produzidos originalmente na coroa”, explica Alston. "Podemos medir o eco – ou atraso de tempo – ao qual chamamos de reverberação."

Esta técnica, denominada mapeamento de reverberação, ajudou os cientistas a sondar o material gasoso em torno do buraco negro. Alston compara este processo à ecolocalização, onde animais como os morcegos usam o ricochete do som nos objetos para fins de navegação durante o voo. Ao contrário do processo que o Telescópio Event Horizon usou para montar uma imagem de um buraco negro mais próximo, o mapeamento de reverberação pode ser usado para estudar objetos que estão muito mais distantes, e sondar as regiões perto do seu horizonte de eventos.

"O mapeamento de reverberação não depende da resolução espacial", diz Misty Bentz, da Universidade da Geórgia, nos EUA, que usa a mesma técnica para estudar buracos negros longínquos. "Em vez disso, o mapeamento usa os ecos de luz dentro do objeto para nos revelar a sua estrutura, mesmo que sejam muito pequenas ou estejam muito distantes."

Em 2019, o Telescópio Event Horizon – um conjunto de radiotelescópios terrestres com uma escala planetária – revelou a primeira imagem de um buraco negro supermassivo e da sua sombra. A imagem revela o buraco negro central de Messier 87, uma galáxia maciça no aglomerado de Virgem.
Fotografia de EVENT HORIZON TELESCOPE COLLABORATION

Rotação alucinante
Os ecos de luz captados da galáxia IRAS 13224-3809 permitiram a Alston e à sua equipa determinar com exatidão a geometria do material que rodeia o buraco negro, incluindo as dimensões da sua coroa de raios-X dinâmica, que alimenta os referidos ecos. A equipa usou estas informações para calcular a massa e a rotação do buraco negro, duas propriedades que não flutuam nas escalas de tempo humanas.

"Para medir a massa e a rotação do buraco negro, precisamos de saber exatamente qual é a posição do gás antes de este cair no buraco negro", diz Alston. Os cientistas já tinham usado esta técnica para estudar buracos negros supermassivos, mas as observações não foram assim tão prolongadas, nem a fonte tão variável, como acontece com IRAS 13224-3809.

Tendo por base este novo mapeamento, a equipa concluiu que o buraco negro supermassivo contém uma massa equivalente a dois milhões de sóis, e tem uma rotação verdadeiramente alucinante, sem violar as leis da física. Bentz, que não participou neste estudo, diz que as observações prolongadas dos autores fazem com que estes resultados sejam extremamente convincentes.

"Os autores testaram a mesma experiência 16 vezes – significativamente mais do que qualquer outro estudo feito anteriormente", diz Bentz. "E isso ajudou bastante na identificação dos elementos que não sofrem alterações.”

Alston e a sua equipa também conseguiram montar uma imagem dinâmica de como a coroa de raios-X que envolve o buraco negro muda ao longo do tempo – e o seu tamanho varia dramaticamente ao longo de um dia.

Sementes galácticas
Existe a probabilidade de todas as grandes galáxias do universo estarem ancoradas a buracos negros centrais supermassivos. Decifrar a rotação destas âncoras pode oferecer pistas sobre a forma como os buracos negros, e respetivas galáxias, se formaram e evoluíram ao longo do tempo.

"Ainda não sabemos como é que se formam os buracos negros supermassivos", diz Alston. “Quais são as suas sementes no universo primitivo? Atualmente, a maioria dos nossos modelos prevê fontes muito pequenas que, na realidade, não conseguem crescer com rapidez suficiente.”

Uma das teorias para a formação de galáxias envolve várias galáxias mais pequenas que colidem entre si, fundindo-se no processo. E à medida que estas galáxias se fundem, o mesmo acontece com os buracos negros centrais. Se estas colisões forem caóticas, podem não apenas contribuir para a existência de mais massa resultante no buraco negro, mas também afetar a sua rotação, diz Alston.

Também existe outra forma que pode explicar como é que os buracos negros acumulam massa: através de um fluxo continuado de entrada de gás. Se assim for, a rotação daí resultante pode ser ainda mais rápida, como acontece com a rotação em IRAS 13224-3809, mas Alston diz que ainda é muito cedo para se afirmar que esta galáxia em particular acumulou massa através deste mecanismo.

Eventualmente, a equipa gostaria de usar o mapeamento de reverberação para determinar a rotação – revelando o histórico de formação – de centenas de buracos negros supermassivos, fazendo uma espécie de censo sobre estes fenómenos. Depois, tendo por base a distância dos buracos negros, os cientistas podem observar como é que as galáxias se desenvolveram ao longo da idade do universo.
 

Este artigo foi publicado originalmente em inglês no site nationalgeographic.com

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