Vários buracos negros ‘ecoando’ acabam de ser descobertos na Via Láctea

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Impressão artística de um disco de acreção de um buraco negro. Créditos: NOIRLab / AURA / NSF / P. Marenfeld.

Por Michelle Starr
Publicado na ScienceAlert

Ecos de luz refletindo em nuvens espessas de material ao redor de buracos negros ativos estão ajudando os astrônomos a entender melhor o confuso espaço-tempo nas redondezas desses objetos extremos.

Dentro da Via Láctea, os astrônomos acabaram de identificar oito novos exemplos desses buracos negros ecoantes. Anteriormente, apenas dois haviam sido identificados em nossa galáxia.

Ter um número tão grande tão perto de casa está permitindo um estudo muito mais próximo desses objetos fascinantes, com a visão única que eles podem oferecer sobre a física dos buracos negros.

Buracos negros de massa estelar – aqueles que se formaram a partir do colapso de um núcleo estelar maciço – são considerados bastante comuns na Via Láctea.

Existem até um bilhão desses objetos vagando pela galáxia, mas são bem difíceis de detectar; até o momento, identificamos apenas alguns. Isso porque, a menos que estejam ativos, eles não emitem nenhuma radiação que possamos detectar. Eles são efetivamente invisíveis.

No entanto, quando os buracos negros estão ativos, é uma história diferente. Um buraco negro ativo é aquele que prendeu algo em sua teia gravitacional e está gradualmente devorando-o.

O material forma um disco de acreção de poeira e gás girando em torno do buraco negro e caindo dentro dele, muito parecido com água circulando e caindo por um ralo. As interações extremas de atrito e gravitação envolvidas geram calor e luz intensos, fazendo com que a região ao redor do buraco negro brilhe.

Em buracos negros raros, também podemos ver um fenômeno fascinante em ação. De vez em quando, a região logo dentro da borda do disco de acreção mais próxima de um buraco negro supermassivo ativo brilha intensamente – quando esse clarão de luz (erupção) atinge a poeira, é refletido de volta – um eco.

Liderada pelo astrofísico Jingyi Wang, do MIT, uma equipe de pesquisadores usou uma nova ferramenta automatizada chamada Máquina de Reverberação para vasculhar todos os dados de arquivo do observatório de raios-X NICER da NASA, procurando os sinais reveladores de ecos de buracos negros.

Essa busca resultou em oito sistemas binários contendo um buraco negro, com uma estrela companheira binária sendo gradualmente sugada e devorada pelo buraco negro.

“Vemos novas assinaturas de reverberação em oito fontes”, disse Wang. “Os buracos negros variam em massa de cinco a 15 vezes a massa do Sol, e estão todos em sistemas binários com estrelas normais, de baixa massa e semelhantes ao Sol”.

Embora raros, esses ecos podem nos dizer muito sobre o ambiente ao redor de um buraco negro. A luz pode ser analisada, tanto da erupção inicial quanto do eco, para medir o espaço entre o buraco negro e a poeira, assim como um morcego usa a ecolocalização para navegar em seus arredores.

Os ecos de buracos negros também podem ser usados ​​para estudar como a coroa de um buraco negro e o disco de acreção mudam à medida que o buraco negro se “alimenta”. A coroa é a região de elétrons extremamente quentes entre a borda interna do disco de acreção e o horizonte de eventos.

Em seguida, a equipe analisou os 10 sistemas binários emissores de raios-X, dividindo os dados em grupos com intervalos de tempo semelhantes entre a erupção inicial de raios-X e a luz ecoada. Isso permitiu que eles rastreassem as mudanças nos ecos de raios-X, para desenvolver uma imagem geral de como o buraco negro muda durante uma erupção de raios-X.

Primeiro, o buraco negro começa em um estado “severo”, gerando uma coroa e emitindo jatos de plasma de alta velocidade das regiões sobre seus polos. Quando esses processos estão dominando o perfil de energia do buraco negro, os intervalos de tempo entre as erupções de raios-X e seus ecos são curtos, na escala de milissegundos.

Este estado dura algumas semanas, antes de se acalmar em um estado “suave” dominado por raios-X de baixa energia do disco de acreção. Durante essa transição, os intervalos de tempo entre as erupções e os ecos aumentam.

Como a velocidade da luz é constante, esse intervalo de tempo crescente sugere que a distância entre a coroa e o disco está aumentando.

A equipe acha que isso pode significar que a coroa se expande para cima e para fora à medida que o evento de alimentação diminui e o buraco negro se acalma, até o próximo frenesi de alimentação de material retirado de seu companheiro estelar.

Ainda não está totalmente claro, mas os resultados têm implicações não apenas para entender esses pequenos tipos de buracos negros, mas também os gigantes supermassivos que podem ser encontrados nos núcleos das galáxias. Isso, por sua vez, pode nos ajudar a entender melhor a evolução do Universo.

“O papel dos buracos negros na evolução das galáxias é uma questão pendente na astrofísica moderna”, disse a física Erin Kara, do MIT, que está trabalhando na conversão de ecos de buracos negros em som, como visto no vídeo acima. “Curiosamente, esses sistemas binários de buracos negros parecem ser ‘mini’ buracos negros supermassivos e, portanto, entendendo as erupções nesses pequenos sistemas próximos, podemos entender como erupções semelhantes em buracos negros supermassivos afetam as galáxias em que residem”.

A pesquisa foi publicada no The Astrophysical Journal.