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.
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.