Ilustração de um evento de interrupção de maré (TDE). Uma nova técnica de cientistas do MIT e da NASA emprega oscilações de disco de acreção de TDEs para medir spins de buracos negros, oferecendo insights sobre sua evolução ao rastrear flashes de raios X. Crédito: Carl Knox – OzGrav, ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery, Swinburne University of Technology
Pesquisadores desenvolveram uma nova maneira de investigar buracos negros supermassivos e sua evolução pelo universo.
Cientistas em COM, NASAe em outros lugares desenvolveram um método para medir buraco negro gira usando a oscilação dos discos de acreção resultantes de eventos de interrupção das marés. A técnica, que envolve o rastreamento de flashes de raios X desses eventos, revelou que a rotação de um buraco negro supermassivo próximo é inferior a 25% da velocidade da luz. Esta nova abordagem poderia ajudar a compreender a história evolutiva dos buracos negros em todo o universo.
Novo método para medir a rotação do buraco negro
Os astrônomos têm uma nova maneira de medir a velocidade de rotação de um buraco negro, usando as oscilações resultantes de seu banquete estelar.
O método tira vantagem de um evento de perturbação de maré de um buraco negro – um momento extremamente brilhante quando um buraco negro exerce marés sobre uma estrela que passa e a despedaça. À medida que a estrela é perturbada pelas imensas forças de maré do buraco negro, metade da estrela é expelida, enquanto a outra metade é lançada em torno do buraco negro, gerando um disco de acreção intensamente quente de material estelar em rotação.
Rastreando flashes de raios X e rotação de buraco negro
A equipe liderada pelo MIT mostrou que a oscilação do disco de acreção recém-criado é essencial para descobrir o giro inerente do buraco negro central.
Em um estudo publicado recentemente em Natureza, os astrónomos relatam que mediram a rotação de um buraco negro supermassivo próximo, rastreando o padrão de flashes de raios X que o buraco negro produziu imediatamente após um evento de perturbação de maré. A equipe acompanhou os flashes ao longo de vários meses e determinou que eles eram provavelmente um sinal de um disco de acreção brilhante e quente que oscilava para frente e para trás enquanto era empurrado e puxado pela rotação do próprio buraco negro.
Ao acompanhar a forma como a oscilação do disco mudou ao longo do tempo, os cientistas puderam descobrir o quanto o disco estava a ser afetado pela rotação do buraco negro e, por sua vez, a que velocidade o próprio buraco negro girava. A sua análise mostrou que o buraco negro girava a menos de 25% da velocidade da luz – relativamente lento, no que diz respeito aos buracos negros.
Medindo a evolução do buraco negro
O autor principal do estudo, o cientista pesquisador do MIT Dheeraj “DJ” Pasham, diz que o novo método pode ser usado para avaliar os spins de centenas de buracos negros no universo local nos próximos anos. Se os cientistas puderem pesquisar os spins de muitos buracos negros próximos, eles podem começar a entender como os gigantes gravitacionais evoluíram ao longo da história do universo.
“Ao estudar vários sistemas nos próximos anos com esse método, os astrônomos podem estimar a distribuição geral dos giros dos buracos negros e entender a antiga questão de como eles evoluem ao longo do tempo”, diz Pasham, que é membro do Instituto Kavli de Astrofísica e Pesquisa Espacial do MIT.
Os coautores do estudo incluem colaboradores de várias instituições, incluindo a NASA, a Universidade Masaryk no República Checaa Universidade de Leeds, a Universidade de Siracusa, a Universidade de Tel Aviv, a Academia Polonesa de Ciências e outros lugares.
Esta figura esquemática descreve a precessão de um disco de acreção formado a partir dos detritos de uma estrela rompida ao redor de um buraco negro supermassivo (SMBH). O painel esquerdo mostra a fase de precessão quando o disco de acreção está próximo de uma configuração de borda, o que resulta na área menor do disco sendo observada e, portanto, menor luminosidade. O observador pode ver principalmente as partes mais frias e externas do disco em precessão. O painel direito descreve uma fase de precessão quase frontal, quando a área visível do disco é maior e, portanto, a luminosidade também aumenta. As partes internas e mais quentes do disco são então totalmente expostas. Crédito: Cortesia de Michal Zajacek e Dheeraj Pasham
Insights de eventos de interrupção de marés
Cada buraco negro tem um giro inerente que foi moldado pelos seus encontros cósmicos ao longo do tempo. Se, por exemplo, um buraco negro cresceu principalmente através de acreção – breves momentos em que algum material cai no disco, isso faz com que o buraco negro gire a velocidades bastante elevadas. Em contraste, se um buraco negro cresce principalmente através da fusão com outros buracos negros, cada fusão pode abrandar as coisas à medida que a rotação de um buraco negro se encontra com a rotação do outro.
À medida que um buraco negro gira, ele arrasta consigo o espaço-tempo circundante. Este efeito de arrasto é um exemplo da precessão de Lense-Thirring, uma teoria de longa data que descreve as formas como campos gravitacionais extremamente fortes, como os gerados por um buraco negro, podem atrair o espaço e o tempo circundantes. Normalmente, este efeito não seria óbvio em torno dos buracos negros, uma vez que os objetos massivos não emitem luz.
Mas nos últimos anos, os físicos propuseram que, em casos como durante um evento de interrupção de maré, ou TDE, os cientistas podem ter a chance de rastrear a luz de detritos estelares enquanto ela é arrastada. Então, eles podem esperar medir o giro do buraco negro.
Em particular, durante uma TDE, os cientistas prevêem que uma estrela pode cair sobre um buraco negro a partir de qualquer direção, gerando um disco de material incandescente e fragmentado que pode ser inclinado ou desalinhado em relação à rotação do buraco negro. (Imagine o disco de acreção como uma rosca inclinada que gira em torno de um buraco de rosca que tem seu próprio giro separado.) À medida que o disco encontra a rotação do buraco negro, ele oscila enquanto o buraco negro o puxa para o alinhamento. Eventualmente, a oscilação diminui à medida que o disco se acomoda na rotação do buraco negro. Os cientistas previram que o disco oscilante de um TDE deveria, portanto, ser uma assinatura mensurável da rotação do buraco negro.
“Mas o segredo era ter as observações corretas”, diz Pasham. “A única maneira de fazer isso é, assim que ocorrer um evento de perturbação de maré, você precisará de um telescópio para observar esse objeto continuamente, por um tempo muito longo, para poder sondar todos os tipos de escalas de tempo, de minutos a minutos. a meses.”
Uma captura de alta cadência
Nos últimos cinco anos, Pasham tem procurado eventos de perturbação das marés que sejam suficientemente brilhantes e próximos o suficiente para acompanhar e rastrear rapidamente sinais de precessão de Lense-Thirring. Em fevereiro de 2020, ele e seus colegas tiveram sorte, com a detecção do AT2020ocn, um flash brilhante, emanando de uma galáxia a cerca de um bilhão de anos-luz de distância, que foi inicialmente detectado na banda óptica pelo Zwicky Transient Facility.
A partir dos dados ópticos, o flash pareceu ser os primeiros momentos após um TDE. Sendo brilhante e relativamente próximo, Pasham suspeitou que o TDE poderia ser o candidato ideal para procurar sinais de oscilação do disco e possivelmente medir a rotação do buraco negro no centro da galáxia hospedeira. Mas para isso, ele precisaria de muito mais dados.
“Precisávamos de dados rápidos e de alta cadência”, diz Pasham. “A chave era detectar isso logo no início, porque essa precessão, ou oscilação, só deveria estar presente no início. Mais tarde, o disco não oscilaria mais.”
A equipe descobriu que o telescópio NICER da NASA foi capaz de capturar o TDE e mantê-lo sob observação continuamente por meses a fio. NICER — uma abreviação de Neutron star Interior Composition ExploreR — é um telescópio de raios X na Estação Espacial Internacional que mede a radiação de raios X ao redor de buracos negros e outros objetos gravitacionais extremos.
Pasham e seus colegas analisaram as observações do NICER sobre o AT2020ocn por mais de 200 dias após a detecção inicial do evento de interrupção da maré. Eles descobriram que o evento emitia raios X que pareciam atingir o pico a cada 15 dias, por vários ciclos, antes de eventualmente desaparecerem. Eles interpretaram os picos como momentos em que o disco de acreção do TDE oscilava de frente, emitindo raios X diretamente em direção ao telescópio do NICER, antes de oscilar para longe enquanto continuava a emitir raios X (semelhante a acenar uma lanterna em direção e para longe de alguém a cada 15 dias).
Conclusão e Perspectivas Futuras
Os pesquisadores pegaram esse padrão de oscilação e o trabalharam na teoria original para a precessão de Lense-Thirring. Com base em estimativas da massa do buraco negro e da estrela interrompida, eles conseguiram chegar a uma estimativa para o giro do buraco negro — menos de 25 por cento da velocidade da luz.
Os seus resultados marcam a primeira vez que os cientistas usaram observações de um disco oscilante após um evento de perturbação de maré para estimar a rotação de um buraco negro.
“Os buracos negros são objetos fascinantes e os fluxos de matéria que vemos cair sobre eles podem gerar alguns dos eventos mais luminosos do Universo”, afirma o coautor do estudo Chris Nixon, professor associado de física teórica na Universidade de Leeds. “Embora ainda haja muita coisa que não entendemos, existem instalações observacionais incríveis que continuam a nos surpreender e a gerar novos caminhos para explorar. Este evento é uma dessas surpresas.”
À medida que novos telescópios, como o Observatório Rubin, entrarem em operação nos próximos anos, Pasham prevê mais oportunidades para determinar as rotações dos buracos negros.
“O giro de um buraco negro supermassivo conta a história desse buraco negro”, diz Pasham. “Mesmo que uma pequena fração daqueles que Rubin captura tenha esse tipo de sinal, agora temos uma maneira de medir os spins de centenas de TDEs. Então poderíamos fazer uma grande declaração sobre como os buracos negros evoluem ao longo da idade do universo.”
Referência: “Precessão Lense-Thirring após um buraco negro supermassivo perturbar uma estrela” por Dheeraj R. Pasham, Michal Zajaček, CJ Nixon, Eric R. Coughlin, Marzena Śniegowska, Agnieszka Janiuk, Bożena Czerny, Thomas Wevers, Muryel Guolo, Yukta Ajay e Michael Loewenstein, 22 de maio de 2024, Natureza.
DOI: 10.1038/s41586-024-07433-w
Esta pesquisa foi financiada, em parte, pela NASA e pela Agência Espacial Europeia.
