Astrônomos estão usando ecos de buracos negros para ajudar a mapear o universo

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Créditos: NASA / JPL-Caltech.

Por Michelle Starr
Publicado na ScienceAlert

Do nosso ponto de vista único no cosmos, é realmente difícil entender o espaço tridimensional.

Podemos facilmente mapear estrelas em constelações relacionando umas às outras, mas saber quais estão mais próximas e quais estão mais distantes é muito mais difícil de medir.

Uma maneira de determinar a distância de objetos no espaço é usando velas padrão – objetos conhecidos de brilho intrínseco. Os astrônomos medem a diferença entre o quão brilhante o objeto realmente é e o quão brilhante ele parece para nós a anos-luz de distância, e usam essa diferença para calcular a distância que a luz viajou.

Essas velas incluem estrelas pulsantes cujo brilho intrínseco está ligado ao tempo de seus pulsos e supernovas com uma faixa limitada de pico de brilho.

Agora, os astrônomos demonstraram a viabilidade do que parece ser a ferramenta mais improvável do Universo para esse conjunto de medidas – buracos negros supermassivos. Ou, pelo menos, os ecos deles.

“Medir distâncias cósmicas é um desafio fundamental na astronomia, então a possibilidade de ter um truque extra na manga é muito emocionante”, disse o astrônomo Yue Shen, da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign (EUA).

Você pode estar se sentindo um pouco confuso aqui. Embora seja verdade que sabemos (mais ou menos) o quão brilhantes os buracos negros são, isso não ajuda em nada – porque eles são, bem, o oposto de brilhantes.

Eles não emitem nenhuma radiação perceptível; são efetivamente invisíveis.

Existem cerca de um bilhão de buracos negros de massa estelar na Via Láctea; temos identificado apenas um punhado.

Buracos negros supermassivos que residem no coração das galáxias, no entanto, são peixões bastante diferentes nesse mar cósmico.

Não, ainda não conseguimos vê-los; mas se estiverem ativos, o material ao redor deles brilha muito intensamente. E é a maneira como a luz se comporta nesse ambiente imediato que pode ser usada para determinar seu brilho intrínseco.

Um buraco negro supermassivo ativo é aquele que se alimenta de material, e esse material é estruturado em torno do buraco negro em um tipo de arquitetura que conhecemos. No centro está o próprio buraco negro supermassivo, uma fera que pode ter milhões a dezenas de bilhões de vezes a massa do Sol.

Em torno dele gira um disco de material, sifonando gravitacionalmente para o buraco negro, um pouco parecido com a água circulando e passando por um ralo. Esse é o disco de acreção, e as intensas forças gravitacionais e de fricção nele aquecem o material e fazem com que ele brilhe intensamente. Mas não foi isso que os astrônomos mediram.

Crédito: ESO.

Do lado de fora do disco de acreção está uma nuvem maior, um anel de poeira em formato de rosquinha chamado toro. Toda a estrutura é semelhante a ilustração acima. É esse toro externo que é a chave para uma técnica conhecida como mapeamento de eco, ou mapeamento de reverberação.

De vez em quando, a região do disco de acreção mais próxima de um buraco negro supermassivo ativo brilha intensamente em comprimentos de onda principalmente ópticos e ultravioleta – e quando atinge o toro, “ecoa”.

A luz óptica e ultravioleta é absorvida pela nuvem empoeirada, que aquece e emite essa energia térmica na forma de luz infravermelha em ondas médias.

Os discos de acreção podem ser enormes; pode levar anos para que a luz alcance o toro e seja reemitida. Mas, como ensina a velocidade da luz, os astrônomos podem usar o tempo entre o clarão e o eco para calcular a distância entre a borda interna do disco de acreção e o toro.

É aqui que podemos ver a inteligência dos cientistas. Sabemos que a borda interna do disco de acreção está incrivelmente quente. E sabemos que o disco fica mais frio à medida que nos afastamos do buraco negro.

Quando a temperatura cai para cerca de 1.200 graus Celsius, é quando as nuvens de poeira podem se formar.

Portanto, a distância entre o toro e a borda interna do disco de acreção é diretamente proporcional a essa temperatura incrivelmente quente.

Se conhecermos a distância, podemos calcular a temperatura – e uma vez que sabemos a temperatura, podemos calcular a quantidade de luz que essa região está emitindo. Ou seja, o brilho intrínseco. Essa ligação é chamada de relação R-L (raio e luminosidade).

Bem, obviamente não é tão simples como parece. Você precisa observar um buraco negro com muito cuidado durante longos períodos de tempo para detectar o flash óptico/ultravioleta e o eco das ondas médias em infravermelho.

Uma equipe de astrônomos liderada por Qian Yang, da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, analisou quase duas décadas de dados coletados por telescópios ópticos baseados em solo para procurar o flash óptico.

Em seguida, eles estudaram os dados coletados entre 2010 e 2019 pelo Near Earth Object Wide Field Infrared Survey Explorer (NEOWISE) da NASA, procurando por erupções infravermelhas correspondentes.

Eles identificaram 587 buracos negros supermassivos com um flash óptico e um eco infravermelho de ondas médias – a maior pesquisa do gênero.

E embora ainda haja espaço para aperfeiçoar os dados – a pesquisa em infravermelho não abrangeu toda a faixa infravermelha, o que significa que há uma grande incerteza nos cálculos de distância – eles confirmaram que a relação R-L é dimensionada e que o eco se comporta da mesma forma em buracos negros supermassivos de todos os tamanhos em sua amostra.

O trabalho para aperfeiçoar as medições está em andamento.

A equipe está trabalhando no aprimoramento de seus modelos para restringir melhor o comportamento da poeira e como ela emite luz infravermelha. E, é claro, pesquisas em andamento com uma melhor tecnologia continuarão a fornecer observações de maior qualidade.

“A beleza da técnica de mapeamento de eco é que esses buracos negros supermassivos não vão desaparecer tão cedo”, disse Yang. “Assim, podemos medir os ecos da poeira repetidamente no mesmo sistema para melhorar a medição da distância”.

A pesquisa foi publicada no The Astrophysical Journal.