Finalmente sabemos como os buracos negros produzem a luz mais brilhante do Universo

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Impressão artística de jatos astrofísicos em erupção de um núcleo galáctico ativo. (Créditos: OES/M. Kornmesser)

Traduzido por Julio Batista
Original de Michelle Starr para o ScienceAlert

Para algo que não emite luz que possamos detectar, os buracos negros simplesmente adoram se esconder em brilho.

Algumas das luzes mais brilhantes do Universo vêm de buracos negros supermassivos, na verdade. Bem, na verdade não são os próprios buracos negros; é o material ao seu redor enquanto eles sugam ativamente grandes quantidades de matéria de seus arredores imediatos.

Entre os mais brilhantes desses turbilhões de material quente rodopiante estão as galáxias conhecidas como blazares. Elas não apenas brilham com o calor de uma camada rodopiante, mas também canalizam o material em feixes por meio de erupções que se espalham pelo cosmos, espalhando radiação eletromagnética em energias difíceis de entender.

Os cientistas finalmente descobriram o mecanismo que produz a incrível luz de alta energia que chegou até nós em uma viagem que durou bilhões de anos: choques nos jatos do buraco negro que aumentam a velocidade das partículas a velocidades insanas.

“Este é um mistério de 40 anos que resolvemos”, disse o astrônomo Yannis Liodakis do Centro Finlandês de Astronomia do OES (FINCA). “Finalmente tínhamos todas as peças do quebra-cabeça e a imagem que elas formavam era clara.”

A maioria das galáxias do Universo é constituída em torno de um buraco negro supermassivo. Esses objetos incrivelmente grandes ficam no centro galáctico, às vezes agindo de forma relativamente tranquila (como Sagitário A*, o buraco negro no coração da Via Láctea) e às vezes causando barraco.

Essa atividade consiste em agregar material. Uma vasta nuvem se forma em um disco equatorial ao redor do buraco negro, circulando-o como água em torno de um ralo. As interações friccionais e gravitacionais em jogo no espaço extremo em torno de um buraco negro fazem com que esse material aqueça e brilhe intensamente em uma variedade de comprimentos de onda. Essa é uma fonte de luz de um buraco negro.

O outro – o que está em jogo nos blazares – são jatos gêmeos de material lançados das regiões polares fora do buraco negro, perpendiculares ao disco. Acredita-se que esses jatos sejam material da borda interna do disco que, em vez de cair em direção ao buraco negro, é acelerado ao longo das linhas do campo magnético externo até os polos, onde é lançado em velocidades muito altas, próximas à velocidade da luz.

Para que uma galáxia seja classificada como um blazar, esses jatos devem ser apontados quase diretamente para o observador. Somos nós, na Terra. Graças à extrema aceleração das partículas, eles brilham com luz em todo o espectro eletromagnético, incluindo radiação gama de alta energia e raios-X.

Exatamente como esse jato acelera as partículas a velocidades tão altas tem sido um ponto de interrogação cósmico gigante por décadas. Mas agora, um novo e poderoso telescópio de raios-X chamado Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE – Explorador de Imagem Polarimetria de Raios-X, na tradução livre), lançado em dezembro de 2021, deu aos cientistas a chave para resolver o mistério. É o primeiro telescópio espacial que revela a orientação, ou polarização, dos raios-X.

“As primeiras medidas de polarização de raios-X dessa classe de fontes permitiram, pela primeira vez, uma comparação direta com os modelos desenvolvidos a partir da observação de outras frequências de luz, do rádio aos raios gama de altíssima energia”, disse o astrônomo Immacolata Donnarumma, da Agência Espacial Italiana.

O IXPE foi direcionado para o objeto de alta energia mais brilhante do nosso céu, um blazar chamado Markarian 501, localizado a 460 milhões de anos-luz de distância na constelação de Hércules. Durante um total de seis dias em março de 2022, o telescópio coletou dados sobre a luz de raios-X emitida pelo jato do blazar.

Uma ilustração mostrando IXPE observando Markarian 501, com a luz perdendo energia à medida que se afasta da frente de choque. Tradução da imagem: luz dos raios-X (x-ray light), luz visível (visible light), luz infravermelha/de rádio (infrared/radio light), frente de choque (shock front), blazar (blazar), jato (jet), zoom (zoom in) e espaçonave IXPE (IXPE spacecraft). (Créditos: Pablo Garcia/NASA/MSFC)

Ao mesmo tempo, outros observatórios estavam medindo a luz de outras faixas de comprimento de onda, do rádio ao óptico, que anteriormente eram os únicos dados disponíveis para o Markarian 501.

A equipe logo notou uma curiosa diferença na luz de raios-X. Sua orientação era significativamente mais torcida ou polarizada do que os comprimentos de onda de energia mais baixa. E a luz óptica era mais polarizada que as frequências de rádio.

No entanto, a direção da polarização foi a mesma para todos os comprimentos de onda e alinhada com a direção do jato. Isso, descobriu a equipe, é consistente com modelos nos quais choques nos jatos produzem ondas de choque que fornecem aceleração adicional ao longo do comprimento do jato. Mais próximo do choque, essa aceleração é máxima, produzindo raios-X. Mais adiante no jato, as partículas perdem energia, produzindo emissões ópticas de menor energia e depois de rádio, com menor polarização.

“À medida que a onda de choque atravessa a região, o campo magnético fica mais forte e a energia das partículas aumenta”, disse o astrônomo Alan Marscher, da Universidade de Boston (EUA). “A energia vem da energia do movimento do material que produz a onda de choque.”

Não está claro o que cria os choques, mas um mecanismo possível é o material mais rápido no jato alcançando aglomerados que se movem mais lentamente, resultando em colisões. Pesquisas futuras podem ajudar a confirmar essa hipótese.

Como os blazares estão entre os aceleradores de partículas mais poderosos do Universo e um dos melhores laboratórios para entender a física extrema, essa pesquisa marca uma peça muito importante do quebra-cabeça.

Pesquisas futuras continuarão a observar Markarian 501 e apontar o IXPE para outros blazars para ver se uma polarização semelhante pode ser detectada.

A pesquisa foi publicada na Nature Astronomy.