Ecos dos raios-X de uma estrela dilacerada fornecem close-up do buraco negro “assassino”

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Nessa representação artística, um disco de acreção espesso se formou em torno de um buraco negro supermassivo após a perturbação das marés de uma estrela que apareceu muito perto. Detritos estelares caíram em direção ao buraco negro e se reuniu em um espesso disco caótico de gás quente. Flashes de luz de raios-X perto do centro do disco resultam em ecos de luz que permitem que os astrônomos mapeiem a estrutura do fluxo tipo funil, revelando pela primeira vez os fortes efeitos da gravidade em torno de um buraco negro normalmente inativo. Créditos: NASA / Swift / Aurore Simonnet, Universidade Estadual de Sonoma.

Artigo traduzido de NASA. Autor: Francis Reddy.

Há 3,9 bilhões de anos atrás, no coração de uma galáxia distante, a intensa força das marés de um buraco negro monstro triturou uma estrela que passou muito perto dele. Quando os raios-X produzidos neste evento alcançaram a Terra em 28 de março de 2011, foram detectados pelo satélite Swift da NASA, que notificou os astrônomos ao redor do mundo. Em poucos dias, os cientistas concluíram que a explosão, agora conhecida como Swift J1644 + 57, representa tanto a interrupção das marés de uma estrela quanto um flare súbito de um buraco negro anteriormente inativo.

Agora, astrônomos usando observações arquivadas do Swift, do XMM-Newton Observatory do ESA e do satélite Suzaku, liderado pelo Japão, identificaram as reflexões de erupções de raios-X em erupção durante o evento. Liderados por Erin Kara, pesquisadora de pós-doutorado na NASA Goddard Space Flight Center em Greenbelt, Maryland, e da Universidade de Maryland, College Park (UMCP), a equipe usou esses ecos de luz, ou reverberações, para mapear o fluxo de gás perto do recém-despertado buraco negro pela primeira vez.

“Embora ainda não saibamos o que causa as erupções de raios-X perto do buraco negro, sabemos que quando elas ocorrem podemos detectar o eco que chega dois minutos mais tarde, uma vez que a luz ilumina partes do fluxo”, Kara explicou. “Esta técnica, chamada de mapeamento de reverberação de raios-X, foi usada anteriormente para explorar discos estáveis em torno de buracos negros, mas esta é a primeira vez que que foi aplicada a um disco recém-formado produzido por uma interrupção de maré.”

Detritos estelares que caem em direção a um buraco negro se aglomeram em uma estrutura rotativa chamada disco de acreção. Lá, o gás é comprimido e aquecido a milhões de graus antes de, eventualmente, alcançar o horizonte de eventos do buraco negro, o ponto além do qual nada pode escapar e os astrônomos não podem observar. O disco de acreção do Swift J1644 + 57 era mais espesso, turbulento e caótico do que os discos estáveis, que tiveram tempo para se estabelecer em uma rota ordenada. Os pesquisadores apresentaram os resultados em um artigo publicado online na revista Nature em 22 de Junho.

Uma surpresa do estudo é que os raios-X de alta energia surgem a partir da parte interna do disco. Os astrônomos pensam que a maior parte desta emissão se originou de um jato estreito de partículas aceleradas a uma velocidade próxima à da luz. Nos blazares, a classe de galáxias mais luminosas alimentadas por buracos negros supermassivos, jatos produzem a maior parte da emissão de altíssima energia.

“Nós vimos um jato do Swift J1644, mas os raios-X são provenientes de uma região compacta perto do buraco negro na base em forma de funil íngreme fluindo no gás que nós estamos olhando” disse o co-autor Lixin Dai, pesquisador de pós-doutorado na UMCP. “O gás produzindo os ecos está fluindo para fora ao longo da superfície do funil a velocidades de até metade da velocidade da luz.”

Os raios-X originados perto do buraco negro excitam íons de ferro no gás girando, levando-os a fluorescência com um brilho de alta energia chamada emissão da linha K do ferro. À medida que o alargamento do raio-X ilumina e desaparece, o gás, por sua vez, segue após um breve período de tempo em função da distância a partir da origem.

“A luz direta do alargamento tem propriedades diferentes que seu eco, e podemos detectar as reverberações, monitorando as mudanças de brilho em diferentes energias de raios-X”, disse o co-autor Jon Miller, professor de astronomia na Universidade de Michigan em Ann Mandril.

Imagens do Swift na faixa ultravioleta/óptico (branco, roxo) e de telescópios de raios-X (amarelo e vermelho) foram combinadas nesta composição do Swift J1644 + 57, uma irrupção de raio-X que os astrônomos classificam como um evento de interrupção das marés. O evento é visto apenas na imagem de raios-X, que é uma exposição de 3,4 horas tirada em 28 de março de 2011. A explosão foi desencadeada quando uma estrela passou muito perto de um buraco negro supermassivo. A estrela foi dilacerada, e grande parte do gás caiu em direção ao buraco negro. Até o momento, este é o único evento de interrupção das marés emissor de raios-X de alta energia que os astrônomos capturaram na luminosidade de pico. Créditos: NASA / Swift / Stefan Immler.
Imagens do Swift na faixa ultravioleta/óptico (branco, roxo) e de telescópios de raios-X (amarelo e vermelho) foram combinadas nesta composição do Swift J1644 + 57, uma irrupção de raio-X que os astrônomos classificam como um evento de interrupção das marés. O evento é visto apenas na imagem de raios-X, que é uma exposição de 3,4 horas tirada em 28 de março de 2011. A explosão foi desencadeada quando uma estrela passou muito perto de um buraco negro supermassivo. A estrela foi dilacerada, e grande parte do gás caiu em direção ao buraco negro. Até o momento, este é o único evento de interrupção das marés emissor de raios-X de alta energia que os astrônomos capturaram na luminosidade de pico. Créditos: NASA / Swift / Stefan Immler.

O Swift J1644 + 57 é uma das três únicas interrupções de maré que produziram raios-X de alta energia, e até agora continua a ser o único evento capturado no pico desta emissão. Estes episódios de retalhamento estelar ativam brevemente buracos negros que os astrônomos não conseguem detectar de outra forma. Para cada buraco negro que estão acrescendo gás e produzindo luz, os astrônomos pensam que existem nove outros que estão adormecidos. Esses silenciosos buracos negros estavam ativos quando o Universo era mais jovem, e desempenharam um papel importante na forma como as galáxias evoluíram. Interrupções de maré, portanto, oferecem um vislumbre da maioria silenciosa dos buracos negros supermassivos.

“Se olharmos apenas para os buracos negros ativos, nós poderiamos estar recebendo uma amostra fortemente tendenciosa”, disse o membro da equipe Chris Reynolds, professor de astronomia na UMCP. “Pode ser que esses buracos negros todos cabem dentro de algumas estreitas faixas de spins e massas. Por isso, é importante estudar toda a população para nos certificarmos de que não estamos sendo tendenciosos.”

Os pesquisadores estimam a massa do buraco negro Swift J1644 + 57 em cerca de um milhão de vezes a massa do Sol, mas não mediram seu spin. Com as melhorias futuras na compreensão dos fluxos e do modelo de acreção, a equipe acredita que pode ser possível fazer a medição.

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