Bolhas gigantes que se expandem da Via Láctea podem ser explicadas por um único evento

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As bolhas de Fermi (vermelho) e as bolhas de eROSITA (ciano). Créditos: Predehl et al., Nature, 2020.

Por Michelle Starr
Publicado na ScienceAlert

Dois conjuntos de bolhas gigantes que se estendem milhares de anos-luz acima e abaixo do plano da Via Láctea poderiam ter sido produzidos pelo mesmo evento, apesar de sua significativa diferença de tamanho.

Elas são chamadas de bolhas de Fermi e bolhas de eROSITA, e os astrônomos acreditam que elas foram o resultado da atividade do buraco negro supermassivo no centro da Via Láctea, Sagitário A*. Como um conjunto de bolhas é muito maior que o outro, não ficou claro se elas foram produzidas ao mesmo tempo ou por eventos separados.

As bolhas de Fermi, detectadas em 2010 e preenchidas com gás quente e campos magnéticos que emitem radiação gama, estendem-se nove kiloparsecs (29.354 anos-luz) acima e abaixo do plano galáctico, para um tamanho total de 18 kiloparsecs. Elas também têm uma contraparte de micro-ondas, conhecida como névoa de micro-ondas.

As bolhas de eROSITA, emitindo raios-X, se estendem por cerca de 14 kiloparsecs (45.661 anos-luz) em qualquer direção do centro galáctico, para um total de 28 kiloparsecs. Nesse tamanho, eles conseguem engolir inteiramente as bolhas de Fermi.

No entanto, mesmo antes de toda a extensão das bolhas de eROSITA ser descoberta, detalhada em um estudo de 2020, os cientistas pensavam que era provável que fossem produzidas pela mesma explosão. Os dois conjuntos de bolhas têm formas notavelmente semelhantes, sugerindo que estão conectadas de alguma forma.

Como as bolhas são emitidas do centro galáctico, e porque bolhas semelhantes foram vistas em outras galáxias, parece provável que as bolhas de Fermi e de eROSITA estejam relacionadas a Sgr A*, em vez de um período elevado de formação estelar, conhecido como explosão estelar.

Uma equipe de astrônomos liderada por Hsiang-Yi Karen Yang, da Universidade Nacional Tsing Hua, em Taiwan, usou simulações numéricas para diminuir a atividade dos buracos negros supermassivos que poderiam produzir as bolhas como as vemos. Escolhendo entre dois fenômenos possíveis – ventos gigantes soprando de Sgr A*, ou jatos astrofísicos – os pesquisadores descobriram que os jatos astrofísicos são mais plausíveis.

“Antes da detecção das bolhas de eROSITA, a origem física das bolhas de Fermi e da névoa de micro-ondas havia sido muito debatida”, escreveram eles em seu estudo. “Mostramos que os novos dados das bolhas de eROSITA fornecem informações cruciais que nos permitem colocar delimitações adicionais nesses dois cenários, e que a combinação das imagens e espectros de raios gama, raios X e micro-ondas sugerem fortemente que a atividade passada de jatos do buraco negro central da galáxia é a provável culpada”.

Sgr A* está bem quieto agora, emitindo apenas uma ou outra erupção ocasional. Não é o que classificamos como um núcleo galáctico ativo; esse é um buraco negro supermassivo galáctico que está se alimentando ativamente de material de uma enorme nuvem ao seu redor. Este é um processo confuso, com diferentes tipos possíveis de resultados.

O espaço em torno de um buraco negro é muito complexo. O material alimenta o buraco negro a partir de um disco de acreção de material que gira em torno dele, assim como a água gira em torno de um ralo de pia. Acredita-se que esses jatos sejam produzidos a partir de uma pequena fração do material que é canalizado ao longo das linhas do campo magnético fora do horizonte de eventos, da região interna do disco de acreção.

As linhas do campo magnético atuam como um síncrotron, acelerando esse material para as regiões polares do buraco negro, onde é lançado no espaço na forma de jatos incrivelmente rápidos de plasma ionizado. Esses jatos podem ser soprados para uma grande distância no espaço acima e abaixo do plano galáctico.

A simulação de Yang e sua equipe assumiu que Sgr A* estava ativo há cerca de 2,6 milhões de anos, lançando jatos no espaço por aproximadamente 100.000 anos, empurrando para o meio interestelar do halo galáctico.

Essas suposições reproduziram nitidamente conjuntos de bolhas muito semelhantes às bolhas observadas de Fermi e de eROSITA.

A simulação, com bolhas de raios gama em roxo e de raios-X em azul. Créditos: Yang et al., Nat. Astron., 2022.

O grande contraste de pressão entre os jatos e o gás ambiente do meio interestelar fez com que os jatos se expandissem em um par de ‘casulos’ ou ‘bolhas’, semelhantes às bolhas de rádio observadas em aglomerados de galáxias, descobriram os pesquisadores.

“Atualmente, os casulos cresceram e atingiram uma altura de cerca de 7,5 kiloparsecs do plano galáctico. Os elétrons dos raios cósmicos dentro dos casulos que foram transportados do centro galáctico interagem com o campo de radiação interestelar e brilham na banda de  raios gama como as bolhas de Fermi observadas”, escreveram em seu estudo. “A mesma inserção de energia do buraco negro e a subsequente expansão do casulo empurraram o gás de dentro do halo galáctico para longe dele em velocidades supersônicas, formando um choque de propagação externa. Na parte externa do choque, a compressão do gás causou um aumento na densidade local do gás, produzindo uma emissão térmica amplificada de Bremsstrahlung (frenagem) na banda de raios-X manifestada como bolhas de eROSITA”.

Devido aos altos níveis de poeira, o centro galáctico é muito difícil de ver. Se as bolhas foram produzidas por jatos há cerca de 2,6 milhões de anos, isso nos dá algumas pistas sobre sua história. O modelo da equipe sugere que os campos magnéticos e a radiação foram suprimidos no momento em que os jatos foram lançados. Explorar os mecanismos pelos quais isso poderia ter ocorrido pode ser objeto de uma análise futura.

“Investigações futuras revelarão ainda mais o impacto desse feedback energético na história da evolução da nossa Via Láctea e como esse evento se encaixa no cenário mais amplo da coevolução buraco negro supermassivo-galáxia no Universo”, escreveram os pesquisadores.

A pesquisa foi publicada na Nature Astronomy.