Alguns Buracos Negros Supermassivos (SMBHs) consomem grandes quantidades de gás e poeira, desencadeando espetáculos de luz brilhantes que podem ofuscar uma galáxia inteira. Mas outros são muito mais calmos, emitindo uma luz fraca mas constante a partir da sua casa, no coração da sua galáxia.
As observações do agora aposentado Telescópio Espacial Spitzer ajudam a mostrar por que isso acontece.
Parece que toda grande galáxia tem um SMBH em seu coração. Isto é verdade para a nossa galáxia, a Via Láctea, e para o nosso vizinho galáctico mais próximo, Andrômeda (M31.) Como todos os buracos negros, os SMBHs atraem material que se acumula em um disco de acreção. À medida que o material no disco gira e aquece, ele emite luz antes de cair no buraco.
Acontece que ambos os SMBHs estão entre os comedores silenciosos da população do buraco negro. Outros são muito mais vorazes, consumindo grandes quantidades de matéria em aglomerados e brilhando intensamente por períodos de tempo. Os astrofísicos se perguntam o que está por trás da diferença.
Uma pesquisa recente publicada no The Astrophysical Journal determinou o que está acontecendo nesses diferentes buracos negros. O título é “O modo de acreção em buracos negros supermassivos Sub-Eddington: entrando nos parsecs centrais de Andrômeda.” O autor principal é Christian Alig, estudante de pós-doutorado no Instituto Max Planck de Física Extraterrestre.
Andrômeda (M31) é uma vizinha próxima em termos cósmicos. Está a cerca de 780 quiloparsecs de distância, ou cerca de 2,5 milhões de anos-luz. É um sub-Eddington SMBH, o que significa que não atingiu a taxa de acréscimo máxima teórica. A sua proximidade torna-o um excelente alvo para observação e estudo da estrutura galáctica em grande escala, especialmente do núcleo. O núcleo é onde ocorre a maior parte da ação, dominado por um SMBH e contendo uma densa população de estrelas e uma rede de gás e poeira. Esta pesquisa se concentra no gás e na poeira.
“Este artigo investiga a formação, estabilidade e papel da rede de filamentos de poeira/gás que rodeiam o núcleo M31”, escrevem os autores na sua investigação. “A proximidade do M31, 780 kpc, nos permite visualizar detalhadamente a morfologia, o tamanho e a cinemática dos filamentos no gás ionizado e na poeira.”
Os pesquisadores trabalharam com imagens dos Telescópios Espaciais Hubble e Spitzer. Utilizando diferentes filtros, as imagens do telescópio revelaram a forma e outras características da rede de gás e poeira. “A aparência da região central de M31 varia dramaticamente nas diferentes bandas do infravermelho médio, desde uma protuberância suave e sem características dominada pela antiga população estelar a 3,6 μm até a estrutura distinta de filamentos de poeira em espiral que domina a imagem de 8 μm, ” explicam os autores.
Os pesquisadores encontraram um anel de poeira circunnuclear ao redor do núcleo galáctico que mede entre 0,5 e 1 kpc do centro (1.630 a 3.260 anos-luz). Filamentos de poeira emanam deste anel, formando uma espiral dentro dele. “Dentro do anel, os filamentos de poeira seguem órbitas circulares em torno do centro, terminando em uma espiral nuclear nos cem parsecs centrais”, explicam os autores.
Depois de identificar estruturas nas imagens do telescópio, os pesquisadores recorreram às simulações. Eles usaram simulações hidrodinâmicas para ver quais condições iniciais fizeram com que os filamentos e correntes de fluxo de gás se aproximassem do SMBH. “Ao prever a órbita e a velocidade dos filamentos, pretendemos inferir o papel da espiral nuclear como alimentadora do M31 BH”, explicam.
As simulações hidrodinâmicas cobrem uma ampla área do núcleo, de 900 parsecs a 6 parsecs do SMBH em M31. O ponto de partida para as simulações é o filamento de poeira mais brilhante e longo que a equipe encontrou nas imagens. Na imagem acima, está marcado com uma seta branca. “O filamento curva-se progressivamente em direção ao centro à medida que se aproxima”, escrevem os pesquisadores. “Também é visto no gás ionizado
As simulações assumem que o filamento de poeira é feito de poeira que cai do anel circunnuclear, embora os pesquisadores não tenham investigado como a poeira entrou no anel. A simulação começou injetando gás no anel. A equipe deixou a simulação divertida por milhões de anos para ver como o gás se comporta. “No final, precisávamos de cerca de 200 milhões de anos de tempo de simulação para chegar a uma configuração que melhor reproduzisse as observações”, explicam os autores.
“O atrito na borda interna de uma estrutura de anel alongado que se forma em (e) faz com que filamentos finos espiralem para dentro, eventualmente formando um pequeno disco nos 100 pc internos, visível em (f)”, explicam os autores.
Todas as simulações da equipe chegaram a resultados semelhantes, embora tenham começado com parâmetros diferentes, como ângulos iniciais, velocidades, distâncias e ângulo de injeção. “Curiosamente, devido à simetria radial relativamente boa do potencial M31 no 1 kpc interno, todas as simulações levam a resultados muito semelhantes”, explicam os pesquisadores.
As observações e imagens da região interior da M31 estão em linha com o que os astrónomos encontram noutras galáxias silenciosas. Essas pesquisas “…revelam um padrão comum na morfologia da poeira, formado por longos e estreitos filamentos de poeira que terminam em espiral nas poucas centenas de parsecs centrais”, escrevem os autores. A maioria das galáxias de baixa luminosidade em um Estudo de 2003 também têm espirais nucleares que abrangem várias centenas de parsecs.
Curiosamente, galáxias de grande acreção diferentes de M31 também mostram uma rede de faixas de poeira e filamentos, mas a sua morfologia é menos organizada. Freqüentemente consiste em um longo filamento que atravessa o núcleo. Esta pode ser a diferença crítica entre o calmo SMBH em M31 e galáxias com buracos negros muito mais brilhantes.
M31 e seus semelhantes são alimentados com uma dieta lenta e constante de gás, o que significa que seu brilho é constante. Mas outras galáxias são alimentadas com matéria em aglomerados maiores, o que faz com que o seu brilho atinja picos brilhantes, ofuscando todas as estrelas da sua galáxia. Essa é a diferença entre pequenas e médias empresas gulosas e pessoas bem comportadas.
“As simulações hidrodinâmicas mostram que o papel desses filamentos é transportar matéria para o centro; no entanto, a quantidade líquida que transportam para o centro é pequena – uma consequência da sua extensa interação consigo próprios, com a atmosfera circundante e com o ISM ao longo de uma escala de tempo de vários milhões de anos”, concluem os autores. “Postulamos que quando os filamentos de poeira/gás nos cem parsecs centrais das galáxias se estabelecerem numa configuração espiral nuclear, resultará num modo de baixa acreção do BH central.”
Portanto, galáxias com padrões espirais de gás em seus núcleos têm modos de acreção baixos e luminosidade mais baixa e estável. Galáxias sem estes padrões acumulam mais matéria de forma irregular e a sua luminosidade aumenta.
Uma das coisas interessantes sobre esta pesquisa é que ela não se baseou em novas observações de novos e poderosos telescópios como o JWST. Em vez disso, baseou-se em imagens do Telescópio Espacial Spitzer da NASA, que encerrou a sua missão em janeiro de 2020. Ilustra como os telescópios e observatórios modernos geram grandes quantidades de dados que os cientistas podem utilizar de diferentes maneiras, muito depois de a missão do telescópio ter terminado.
“Este é um ótimo exemplo de cientistas reexaminando dados de arquivo para revelar mais sobre a dinâmica das galáxias, comparando-os com as mais recentes simulações de computador”, disse a coautora do estudo Almudena Prieto, astrofísica do Instituto de Astrofísica das Ilhas Canárias e do Observatório Universitário. Munique. “Temos dados de 20 anos que nos dizem coisas que não reconhecemos quando os coletamos pela primeira vez.”
