Buracos negros “bebês” distantes estão se comportando de maneira estranha

0
79
Buraco negro supermassivo ativo na radiogaláxia Hércules A. (NASA/ESA/NRAO)

Por Kathryn Ross e Natasha Hurley-Walker
Publicado no The Conversation

Imagens de rádio do céu revelaram centenas de buracos negros “bebês” e supermassivos em galáxias distantes, com a luz das galáxias refletindo de maneiras inesperadas.

Galáxias são vastos corpos cósmicos, com dezenas de milhares de anos-luz de tamanho, feitos de gás, poeira e estrelas (como o nosso Sol).

Dado seu tamanho, você esperaria que a quantidade de luz emitida pelas galáxias mudasse lenta e continuamente, em escalas de tempo muito além da vida de uma pessoa.

Mas nossa pesquisa, publicada no Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, encontrou uma surpreendente população de galáxias cuja luz muda muito mais rapidamente, em apenas uma questão de anos.

O que é uma radiogaláxia?

Os astrônomos acham que existe um buraco negro supermassivo no centro da maioria das galáxias. Alguns deles são “ativos”, o que significa que emitem muita radiação.

Seus poderosos campos gravitacionais puxam a matéria de seus arredores e a rasgam em um disco orbital de plasma quente chamado de ‘disco de acreção’.

Este disco orbita o buraco negro quase à velocidade da luz. Os campos magnéticos aceleram as partículas de alta energia do disco em fluxos longos e finos, ou ‘jatos’, ao longo dos eixos de rotação do buraco negro. À medida que se distanciam do buraco negro, esses jatos se transformam em grandes nuvens em forma de cogumelo ou “lóbulos”.

Toda essa estrutura é o que constitui uma radiogaláxia, assim chamada porque emite muita radiação de radiofrequência. Pode ter centenas, milhares ou mesmo milhões de anos-luz de diâmetro e, portanto, pode levar eras para mostrar quaisquer mudanças dramáticas.

Astrônomos há muito tempo questionam por que algumas radiogaláxias hospedam lóbulos enormes, enquanto outros permanecem pequenos e confinados. Existem duas teorias. Uma é que os jatos são retidos por um material denso ao redor do buraco negro, frequentemente chamado de “lóbulos frustrados”.

No entanto, os detalhes em torno desse fenômeno permanecem desconhecidos. Ainda não está claro se os lóbulos estão confinados apenas temporariamente por um ambiente circundante pequeno e extremamente denso – ou se eles estão avançando lentamente através de um ambiente maior, mas menos denso.

A segunda teoria para explicar lóbulos menores é que os jatos são jovens e ainda não se estendem por grandes distâncias.

Buraco negro supermassivo de Hércules A emitindo jatos de partículas de alta energia em lóbulos de rádio. (Créditos: NASA/ESA /NRAO)

As mais velhos são vermelhas, as bebês são azuis

Ambas as radiogaláxias, jovens e velhas, podem ser identificadas por um uso inteligente da radioastronomia moderna: observar sua “cor de rádio”.

Vimos os dados da pesquisa GaLactic and Extragalactic All Sky MWA (GLEAM), que vê o céu em 20 frequências de rádio diferentes, dando aos astrônomos uma visão incomparável de ‘cores de rádio’ do céu.

A partir dos dados, as radiogaláxias bebês aparecem em azul, o que significa que são mais brilhantes em frequências de rádio mais altas. Enquanto isso, as radiogaláxias antigas e difusas aparecem vermelhas e são mais brilhantes nas frequências de rádio mais baixas.

Identificamos 554 radiogaláxias bebês. Quando examinamos dados idênticos tirados um ano depois, ficamos surpresos ao ver 123 delas oscilando em seu brilho, parecendo piscar. Isso nos deixou com um mistério.

Algo com mais de um ano-luz de tamanho não pode variar tanto em brilho em menos de um ano sem quebrar as leis da física. Portanto, ou nossas galáxias eram muito menores do que o esperado ou algo mais estava acontecendo.

Felizmente, tínhamos os dados de que precisávamos para descobrir.

Pesquisas anteriores sobre a variabilidade de radiogaláxias usaram um pequeno número de galáxias, dados de arquivo coletados de muitos telescópios diferentes ou foram conduzidas usando apenas uma única frequência.

Para nossa pesquisa, pesquisamos mais de 21.000 galáxias ao longo de um ano em várias frequências de rádio. Isso torna a pesquisa o primeiro levantamento de ‘variabilidade espectral’, permitindo-nos ver como as galáxias mudam o brilho em diferentes frequências.

Algumas de nossas radiogaláxias bebês mudaram tanto ao longo do ano que duvidamos que sejam bebês. Há uma chance de que essas radiogaláxias compactas sejam, na verdade, adolescentes angustiadas que se transformam em adultas muito mais rápido do que esperávamos.

Enquanto a maioria de nossas galáxias variáveis ​​aumentaram ou diminuíram em brilho aproximadamente na mesma quantidade em todas as cores de rádio, algumas não. Além disso, 51 galáxias mudaram em brilho e cor, o que pode ser uma pista sobre o que causa a variabilidade.

Impressão artística dos telescópios SKA-mid (esquerda) e SKA-low (direita). (Créditos: SKAO/ICRAR/SARAO)

Três possibilidades para o que está acontecendo

1) Galáxias cintilantes

Conforme a luz das estrelas viaja pela atmosfera da Terra, ela é distorcida. Isso cria o efeito cintilante das estrelas que vemos no céu noturno, chamado de ‘cintilação’. A luz das radiogaláxias nesta pesquisa passou pela nossa galáxia Via Láctea para alcançar nossos telescópios na Terra.

Assim, o gás e a poeira dentro de nossa galáxia poderiam tê-la distorcido da mesma forma, resultando em um efeito cintilante.

2) Olhando para o lugar errado

Em nosso Universo tridimensional, às vezes os buracos negros lançam partículas de alta energia diretamente em nossa direção na Terra. Essas radiogaláxias são chamadas de ‘blazares’.

Em vez de ver jatos longos e finos e grandes lóbulos em forma de cogumelo, vemos os blazares como um minúsculo ponto brilhante. Eles podem mostrar extrema variabilidade em escalas de tempo curtas, uma vez que qualquer pequena ejeção de matéria do próprio buraco negro supermassivo é direcionada diretamente para nós.

3) Arrotos de buraco negro

Quando o buraco negro supermassivo central ‘arrota’ algumas partículas extras, elas formam um aglomerado viajando lentamente ao longo dos jatos. À medida que o aglomerado se propaga para fora, podemos detectá-lo primeiro no ‘rádio azul’ e depois no ‘rádio vermelho’.

Portanto, podemos estar detectando arrotos gigantes de buracos negros viajando lentamente pelo espaço.

Qual será o próximo passo?

Esta é a primeira vez que temos a capacidade tecnológica de conduzir uma pesquisa de variabilidade em grande escala em várias cores de rádio. Os resultados sugerem que falta algo na nossa compreensão do rádio-céu e talvez as radiogaláxias sejam mais dinâmicas do que esperávamos.

Conforme a próxima geração de telescópios vai sendo construída, em particular o Square Kilometer Array (SKA), os astrônomos irão poder ter uma imagem dinâmica do céu ao longo de muitos anos.

Nesse meio tempo, vale a pena assistir a essas radiogaláxias de comportamento estranho e ficar de olho nos bebês saltitantes também.