Numa galáxia distante, as plumas de gás intermitentes de um buraco negro supermassivo levaram à descoberta de um buraco negro mais pequeno na sua órbita, desafiando as teorias convencionais do disco de acreção de buracos negros e sugerindo que tais sistemas dinâmicos podem ser mais comuns. Crédito: SciTechDaily.com
A análise revela um pequeno buraco negro perfurando repetidamente o disco de gás de um buraco negro maior.
No coração de uma galáxia distante, um buraco negro supermassivo parece ter tido um caso de soluços.
Astrônomos de COMItália, República Tcheca e outros lugares descobriram que um buraco negro anteriormente silencioso, que fica no centro de uma galáxia a cerca de 800 milhões de anos-luz de distância, entrou em erupção repentinamente, emitindo plumas de gás a cada 8,5 dias antes de voltar ao normal. seu estado normal e silencioso.
Os soluços periódicos são um comportamento novo que não foi observado em buracos negros até agora. Os cientistas acreditam que a explicação mais provável para as explosões deriva de um segundo buraco negro, mais pequeno, que gira em torno do buraco negro supermassivo central e lança material para fora do disco de gás do buraco negro maior a cada 8,5 dias.
Os cientistas encontraram um grande buraco negro que “soluça”, emitindo nuvens de gás. A análise revelou que um pequeno buraco negro perfurava repetidamente o disco de gás do buraco negro maior, causando a liberação das plumas. Poderosos campos magnéticos, ao norte e ao sul do buraco negro e representados pelo cone laranja, lançam a pluma para cima e para fora do disco. Cada vez que o buraco negro menor perfura o disco, ele ejeta outra pluma, num padrão regular e periódico. Crédito: Jose-Luis Olivares, MIT
Teorias desafiadoras do buraco negro
As descobertas da equipe, publicadas em 27 de março na revista Avanços da Ciência, desafiam a imagem convencional dos discos de acreção de buracos negros, que os cientistas presumiram serem discos de gás relativamente uniformes que giram em torno de um buraco negro central. Os novos resultados sugerem que os discos de acreção podem ter conteúdos mais variados, possivelmente contendo outros buracos negros e até estrelas inteiras.
“Pensávamos que sabíamos muito sobre buracos negros, mas isto diz-nos que há muito mais coisas que eles podem fazer”, diz o autor do estudo, Dheeraj “DJ” Pasham, cientista investigador do Instituto Kavli de Astrofísica e Investigação Espacial do MIT. “Acreditamos que haverá muito mais sistemas como este e só precisamos de mais dados para encontrá-los.”
Uma simulação computacional de um buraco negro de massa intermediária orbitando um buraco negro supermassivo e gerando plumas de gás periódicas que podem explicar as observações. Crédito: Petra Sukova, Instituto Astronômico do CAS
Os coautores do estudo no MIT incluem o pós-doutorado Peter Kosec, a estudante de pós-graduação Megan Masterson, a professora associada Erin Kara, o principal pesquisador Ronald Remillard e o ex-cientista pesquisador Michael Fausnaugh, juntamente com colaboradores de várias instituições, incluindo a Universidade Tor Vergata de Roma, o Instituto Astronômico da Academia Tcheca de Ciências e Universidade Masaryk na República Tcheca.
“Usa-o ou perde-o”
As descobertas da equipe surgiram a partir de uma detecção automatizada feita pelo ASAS-SN (All Sky Automated Survey for SuperNovae), uma rede de 20 telescópios robóticos situados em vários locais nos hemisférios Norte e Sul. Os telescópios examinam automaticamente todo o céu uma vez por dia em busca de sinais de supernovas e outros fenômenos transitórios.
Em dezembro de 2020, a pesquisa detectou uma explosão de luz numa galáxia a cerca de 800 milhões de anos-luz de distância. Essa parte específica do céu estava relativamente calma e escura até a detecção dos telescópios, quando a galáxia subitamente brilhou por um fator de 1.000. Pasham, que viu a detecção relatada em um alerta da comunidade, optou por se concentrar no surto com NASANICER (a estrela de nêutrons Interior Composition Explorer), um telescópio de raios X a bordo do Estação Espacial Internacional que monitora continuamente o céu em busca de explosões de raios X que possam sinalizar atividade de estrelas de nêutrons, buracos negros e outros fenômenos gravitacionais extremos. O momento foi fortuito, pois estava chegando ao fim do período de um ano durante o qual Pasham teve permissão para apontar, ou “acionar”, o telescópio.
“Era usar ou perder, e acabou sendo meu golpe de maior sorte”, diz ele.
Ele treinou o NICER para observar a galáxia distante enquanto ela continuava a brilhar. A explosão durou cerca de quatro meses antes de desaparecer. Durante esse período, o NICER mediu as emissões de raios X da galáxia diariamente e com alta cadência. Quando Pasham examinou atentamente os dados, notou um padrão curioso no surto de quatro meses: quedas subtis, numa faixa muito estreita de raios X, que pareciam reaparecer a cada 8,5 dias.
Parecia que a explosão de energia da galáxia diminuía periodicamente a cada 8,5 dias. O sinal é semelhante ao que os astrónomos veem quando um planeta em órbita passa em frente da sua estrela hospedeira, bloqueando brevemente a luz da estrela. Mas nenhuma estrela seria capaz de bloquear uma explosão de uma galáxia inteira.
“Eu estava coçando a cabeça para saber o que isso significava, porque esse padrão não se ajusta a nada do que sabemos sobre esses sistemas”, lembra Pasham.
Soque
Enquanto procurava uma explicação para as quedas periódicas, Pasham deparou-se com um artigo recente de físicos teóricos da República Checa. Os teóricos descobriram separadamente que seria possível, em teoria, que o buraco negro supermassivo central de uma galáxia hospedasse um segundo buraco negro, muito menor. Esse buraco negro menor poderia orbitar em um ângulo em relação ao disco de acreção de seu companheiro maior.
Como os teóricos propuseram, o secundário perfuraria periodicamente o disco do buraco negro primário enquanto ele orbita. No processo, libertaria uma nuvem de gás, como uma abelha a voar através de uma nuvem de pólen. Campos magnéticos poderosos, ao norte e ao sul do buraco negro, poderiam então lançar a pluma para cima e para fora do disco. Cada vez que o buraco negro menor perfura o disco, ele ejeta outra pluma, num padrão regular e periódico. Se essa pluma apontasse na direção de um telescópio observador, ele poderia observar a pluma como uma queda na energia geral da galáxia, bloqueando brevemente a luz do disco de vez em quando.
“Fiquei super empolgado com essa teoria e imediatamente enviei um e-mail para eles dizendo: ‘Acho que estamos observando exatamente o que sua teoria previu’”, diz Pasham.
Ele e os cientistas checos uniram-se para testar a ideia, com simulações que incorporaram as observações do NICER sobre a explosão original e as quedas regulares de 8,5 dias. O que descobriram apoia a teoria: a explosão observada foi provavelmente um sinal de um segundo buraco negro, mais pequeno, orbitando um buraco negro supermassivo central e perfurando periodicamente o seu disco.
Especificamente, a equipe descobriu que a galáxia estava relativamente calma antes da detecção de dezembro de 2020. A equipe estima que o buraco negro supermassivo central da galáxia tenha a massa de 50 milhões de sóis. Antes da explosão, o buraco negro pode ter tido um disco de acreção fraco e difuso girando em torno dele, enquanto um segundo buraco negro, menor, medindo 100 a 10.000 massas solares, orbitava em relativa obscuridade.
Os investigadores suspeitam que, em dezembro de 2020, um terceiro objeto — provavelmente uma estrela próxima — passou demasiado perto do sistema e foi despedaçado pela imensa gravidade do buraco negro supermassivo — um evento que os astrónomos conhecem como um “evento de perturbação de maré”. O súbito influxo de material estelar iluminou momentaneamente o disco de acreção do buraco negro enquanto os detritos da estrela giravam para dentro do buraco negro. Ao longo de quatro meses, o buraco negro banqueteou-se com os detritos estelares enquanto o segundo buraco negro continuava a orbitar. Ao perfurar o disco, ele ejetou uma pluma muito maior do que normalmente faria, que foi ejetada diretamente na direção do escopo do NICER.
A equipe realizou inúmeras simulações para testar as quedas periódicas. A explicação mais provável, concluem eles, é um novo tipo de sistema David-Golias – um minúsculo buraco negro de massa intermédia, girando em torno de um buraco negro supermassivo.
“Esta é uma fera diferente”, diz Pasham. “Não se enquadra em nada do que sabemos sobre esses sistemas. Estamos vendo evidências de objetos entrando e atravessando o disco, em diferentes ângulos, o que desafia a imagem tradicional de um simples disco gasoso em torno de buracos negros. Achamos que há uma enorme população desses sistemas por aí.”
“Este é um exemplo brilhante de como usar os detritos de uma estrela perturbada para iluminar o interior de um núcleo galáctico que de outra forma permaneceria escuro. É como usar corante fluorescente para encontrar uma fuga num cano”, diz Richard Saxton, astrónomo de raios X do Centro Europeu de Astronomia Espacial (ESAC) em Madrid, que não esteve envolvido no estudo. “Este resultado mostra que binários de buracos negros supermassivos muito próximos podem ser comuns em núcleos galácticos, o que é um desenvolvimento muito interessante para futuros detectores de ondas gravitacionais.”
Referência: “Um caso para um sistema de buraco negro binário revelado por meio de fluxos quase periódicos” por Dheeraj R. Pasham, Francesco Tombesi, Petra Suková, Michal Zajaček, Suvendu Rakshit, Eric Coughlin, Peter Kosec, Vladimír Karas, Megan Masterson, Andrew Mummery , Thomas W.-S. Holoien, Muryel Guolo, Jason Hinkle, Bart Ripperda, Vojtěch Witzany, Ben Shappee, Erin Kara, Assaf Horesh, Sjoert van Velzen, Itai Sfaradi, David Kaplan, Noam Burger, Tara Murphy, Ronald Remillard, James F. Steiner, Thomas Wevers, Riccardo Arcodia, Johannes Buchner, Andrea Merloni, Adam Malyali, Andy Fabian, Michael Fausnaugh, Tansu Daylan, Diego Altamirano, Anna Payne e Elizabeth C. Ferraraa, 27 de março de 2024, Avanços da Ciência.
DOI: 10.1126/sciadv.adj8898
Esta pesquisa foi apoiada, em parte, pela NASA.
