ALMA revela toro molecular denso e giratório em torno de um buraco negro supermassivo ativo

Observações de alta resolução com o Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) fotografou um toro de gás empoeirado giratório em torno de um supermassivo ativo buraco negro. A existência de tais estruturas rotativas em forma de donuts foi sugerida pela primeira vez há décadas, mas esta é a primeira vez que uma delas foi confirmada de forma tão clara. Este é um passo importante na compreensão da co-evolução dos buracos negros supermassivos e das suas galáxias hospedeiras.

Quase todas as galáxias contêm monstruosos buracos negros ocultos em seus centros. Os pesquisadores sabem há muito tempo que quanto mais massiva for a galáxia, mais massivo será o buraco negro central. Isto parece razoável à primeira vista, mas as galáxias hospedeiras são 10 mil milhões de vezes maiores que os buracos negros centrais; deveria ser difícil para dois objetos de escalas tão diferentes afetarem-se diretamente. Então, como essa relação poderia se desenvolver?

Com o objetivo de resolver este problema obscuro, uma equipa de astrónomos utilizou a alta resolução do ALMA para observar o centro da galáxia espiral M77. A região central de M77 é um “núcleo galáctico ativo”, ou AGN, o que significa que a matéria está caindo vigorosamente em direção ao buraco negro supermassivo central e emitindo luz intensa. Os AGNs podem afetar fortemente o ambiente circundante, portanto são objetos importantes para resolver o mistério da coevolução de galáxias e buracos negros.

Movimento do gás em torno do buraco negro supermassivo no centro de M77. O gás que se move em nossa direção é mostrado em azul e o que se afasta de nós é mostrado em vermelho. A rotação do gás está centrada em torno do buraco negro. Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Imanishi et al.

A equipe obteve imagens da área ao redor do buraco negro supermassivo em M77 e identificou uma estrutura gasosa compacta com um raio de 20 anos-luz. E os astrônomos descobriram que a estrutura compacta está girando em torno do buraco negro, como esperado.

“Para interpretar várias características observacionais dos AGNs, os astrônomos presumiram estruturas giratórias de gás empoeirado em forma de rosca em torno de buracos negros supermassivos ativos. Isto é chamado de ‘modelo unificado’ de AGN”, explicou Masatoshi Imanishi (Observatório Astronômico Nacional do Japão), autor principal de um artigo publicado no Cartas de diários astrofísicos. “No entanto, o donut empoeirado e gasoso tem uma aparência muito pequena. Com a alta resolução do ALMA, agora podemos ver diretamente a estrutura.”

Muitos astrónomos já observaram o centro de M77 antes, mas nunca a rotação do donut de gás em torno do buraco negro foi vista tão claramente. Além da resolução superior do ALMA, a seleção das linhas de emissão molecular a observar foi fundamental para revelar a estrutura. A equipe observou emissões específicas de microondas de moléculas de cianeto de hidrogênio (HCN) e íons formil (HCO+). Essas moléculas emitem microondas apenas em gases densos, enquanto o monóxido de carbono (CO), observado com mais frequência, emite microondas sob uma variedade de condições. O toro ao redor do AGN é considerado muito denso e a estratégia da equipe acertou em cheio.

Impressão artística do toro gasoso empoeirado em torno de um buraco negro supermassivo ativo. O ALMA revelou pela primeira vez a rotação do toro muito claramente. Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

“Observações anteriores revelaram o alongamento leste-oeste do toro gasoso empoeirado. A dinâmica revelada pelos nossos dados ALMA concorda exatamente com a orientação rotacional esperada do toro,” disse Imanishi.

Curiosamente, a distribuição do gás em torno do buraco negro supermassivo é muito mais complicada do que sugere um modelo unificado simples. O toro parece ter uma assimetria e a rotação não apenas segue a gravidade do buraco negro, mas também contém um movimento altamente aleatório. Estes factos podem indicar que o AGN teve uma história violenta, possivelmente incluindo uma fusão com uma pequena galáxia. No entanto, a identificação do toro rotativo é um passo importante.

O via Láctea A galáxia onde vivemos também tem um buraco negro supermassivo no seu centro. Este buraco negro está, no entanto, num estado muito silencioso. Apenas uma pequena quantidade de gás está acumulando nele. Portanto, para investigar detalhadamente um AGN, os astrônomos precisam observar os centros de galáxias distantes. M77 é um dos AGN mais próximos e um objeto adequado para observar detalhadamente o centro.

Referência: “ALMA revela um toro molecular denso e compacto e não homogêneo no núcleo NGC 1068” por
Masatoshi Imanishi (今西昌俊), Kouichiro Nakanishi (中西康一郎), Takuma Izumi (泉拓磨) e Keiichi Wada, 30 de janeiro de 2018, As Cartas do Diário Astronômico.
DOI: 10.3847/2041-8213/aaa8df