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Esta impressão artística mostra gás quente orbitando em um disco em torno de um buraco negro em rápida rotação. A mancha alongada representa uma região brilhante em raios X no disco, o que permite estimar a rotação do buraco negro. Crédito: NASA/CXC/M. Weiss
O padrão de pulso sugere distância buraco negro deve estar girando pelo menos 50% da velocidade da luz.
Em 22 de novembro de 2014, os astrônomos detectaram um evento raro no céu noturno: um buraco negro supermassivo no centro de uma galáxia, a quase 300 milhões de anos-luz da Terra, destruindo uma estrela que passava. O evento, conhecido como explosão de perturbação de maré, devido à enorme força de maré do buraco negro que despedaça uma estrela, criou uma explosão de atividade de raios-X perto do centro da galáxia. Desde então, uma série de observatórios treinaram a sua atenção para o evento, na esperança de aprender mais sobre como os buracos negros se alimentam.
Agora, pesquisadores da MIT e em outros lugares examinaram dados de observações do evento por vários telescópios e descobriram um pulso ou sinal de raios X curiosamente intenso, estável e periódico, em todos os conjuntos de dados. O sinal parece emanar de uma área muito próxima do horizonte de eventos do buraco negro – o ponto além do qual a matéria é inevitavelmente engolida pelo buraco negro. O sinal parece aumentar e desaparecer periodicamente a cada 131 segundos e persistir por pelo menos 450 dias.
Os investigadores acreditam que o que quer que esteja a emitir o sinal periódico deve estar a orbitar o buraco negro, mesmo fora do horizonte de eventos, perto da Órbita Circular Estável Mais Interna, ou ISCO – a órbita mais pequena na qual uma partícula pode viajar com segurança em torno de um buraco negro.
Dada a proximidade estável do sinal ao buraco negro e a massa do buraco negro, que os investigadores estimaram anteriormente ser cerca de 1 milhão de vezes a do Sol, a equipa calculou que o buraco negro gira a cerca de 50% da velocidade da luz.
As descobertas, publicadas hoje na revista Science, são a primeira demonstração de uma erupção de perturbação de marés a ser usada para estimar a rotação de um buraco negro.
O primeiro autor do estudo, Dheeraj Pasham, pós-doutorado no Instituto Kavli de Astrofísica e Pesquisa Espacial do MIT, diz que a maioria dos buracos negros supermassivos estão adormecidos e geralmente não emitem muita radiação de raios-X. Apenas ocasionalmente libertarão uma explosão de atividade, como quando as estrelas se aproximam o suficiente para que os buracos negros as devorem. Agora ele diz que, dados os resultados da equipa, tais explosões de perturbação de marés podem ser usadas para estimar a rotação de buracos negros supermassivos — uma característica que tem sido, até agora, incrivelmente difícil de definir.
“Eventos em que buracos negros destroem estrelas que se aproximam demasiado deles podem ajudar-nos a mapear as rotações de vários buracos negros supermassivos que estão adormecidos ou escondidos nos centros das galáxias”, diz Pasham. “Isso poderia nos ajudar a entender como as galáxias evoluíram ao longo do tempo cósmico.”
Os coautores de Pasham incluem Ronald Remillard, Jeroen Homan, Deepto Chakrabarty, Frederick Baganoff e James Steiner do MIT; Alessia Franchini, da Universidade de Nevada; Chris Frágil, do College of Charleston; Nicolau Pedra de Universidade Columbia; Eric Coughlin, da Universidade da Califórnia em Berkeley; e Nishanth Pasham, de Sunnyvale, Califórnia.
Um verdadeiro sinal
Modelos teóricos de explosões de perturbação de marés mostram que quando um buraco negro destrói uma estrela, parte do material dessa estrela pode ficar fora do horizonte de eventos, circulando, pelo menos temporariamente, numa órbita estável como a ISCO, e emitindo flashes periódicos de energia. raios X antes de serem finalmente alimentados pelo buraco negro. A periodicidade dos flashes de raios X codifica, portanto, informações importantes sobre o tamanho do ISCO, que é ditado pela velocidade de rotação do buraco negro.
Pasham e os seus colegas pensaram que se conseguissem ver tais flashes regulares muito perto de um buraco negro que tivesse sofrido um evento recente de perturbação de marés, estes sinais poderiam dar-lhes uma ideia da rapidez com que o buraco negro girava.
Eles concentraram a sua pesquisa no ASASSN-14li, o evento de perturbação das marés que os astrónomos identificaram em novembro de 2014, usando o All-Sky Automated Survey for SuperNovae (ASASSN) baseado em terra.
“Este sistema é entusiasmante porque pensamos que é um exemplo de explosões de perturbação das marés”, diz Pasham. “Este evento em particular parece corresponder a muitas das previsões teóricas.”
A equipe examinou conjuntos de dados arquivados de três observatórios que coletaram medições de raios X do evento desde a sua descoberta: o Agência Espacial Europeiado observatório espacial XMM-Newton, e NASAobservatórios espaciais Chandra e Swift. Pasham desenvolveu anteriormente um código de computador para detectar padrões periódicos em dados astrofísicos, embora não especificamente para eventos de perturbação de marés. Ele decidiu aplicar seu código aos três conjuntos de dados do ASASSN-14li, para ver se algum padrão periódico comum surgiria na superfície.
O que ele observou foi uma explosão surpreendentemente forte, estável e periódica de radiação de raios X que parecia vir de muito perto da borda do buraco negro. O sinal pulsou a cada 131 segundos, durante 450 dias, e foi extremamente intenso – cerca de 40% acima do brilho médio dos raios X do buraco negro.
“No início não acreditei porque o sinal era muito forte”, diz Pasham. “Mas vimos isso em todos os três telescópios. Então, no final, o sinal era real.”
Com base nas propriedades do sinal e na massa e tamanho do buraco negro, a equipe estimou que o buraco negro gira pelo menos 50% da velocidade da luz.
“Isso não é muito rápido – existem outros buracos negros com rotações estimadas em cerca de 99% da velocidade da luz”, diz Pasham. “Mas esta é a primeira vez que conseguimos usar explosões de perturbação de marés para restringir as rotações de buracos negros supermassivos.”
Iluminando o invisível
Assim que Pasham descobriu o sinal periódico, coube aos teóricos da equipe encontrar uma explicação para o que pode tê-lo gerado. A equipe apresentou vários cenários, mas aquele que parece ser o mais provável de gerar uma explosão de raios X tão forte e regular envolve não apenas um buraco negro destruindo uma estrela que passa, mas também um tipo menor de estrela, conhecido como anã brancaorbitando perto do buraco negro.
Essa anã branca pode ter circulado o buraco negro supermassivo, na ISCO – a órbita circular estável mais interna – há algum tempo. Sozinho, não teria sido suficiente emitir qualquer tipo de radiação detectável. Para todos os efeitos, a anã branca teria sido invisível aos telescópios enquanto orbitava o buraco negro giratório relativamente inativo.
Por volta de 22 de novembro de 2014, uma segunda estrela passou perto o suficiente do sistema para que o buraco negro o despedaçasse numa explosão de perturbação de maré que emitiu uma enorme quantidade de radiação de raios X, na forma de material estelar quente e fragmentado. À medida que o buraco negro puxava este material para dentro, alguns dos detritos estelares caíram no buraco negro, enquanto outros permaneceram do lado de fora, na órbita estável mais interna – a mesma órbita em que a anã branca circulava. À medida que a anã branca entrou em contacto com este material estelar quente, provavelmente arrastou-o como uma espécie de capa luminosa, iluminando a anã branca com uma quantidade intensa de raios X cada vez que orbitava o buraco negro, a cada 131 segundos.
Os cientistas admitem que tal cenário seria incrivelmente raro e duraria apenas algumas centenas de anos, no máximo – um piscar de olhos em escalas cósmicas. As chances de detectar tal cenário seriam extremamente pequenas.
“O problema com este cenário é que, se tivermos um buraco negro com uma massa 1 milhão de vezes maior que a do Sol, e uma anã branca o circundar, então, em algum momento ao longo de apenas algumas centenas de anos, a anã branca irá mergulhe no buraco negro”, diz Pasham. “Teríamos tido muita sorte em encontrar tal sistema. Mas pelo menos em termos das propriedades do sistema, este cenário parece funcionar.”
A importância abrangente dos resultados é que eles mostram que é possível restringir a rotação de um buraco negro, a partir de eventos de perturbação das marés, de acordo com Pasham. No futuro, ele espera identificar padrões estáveis semelhantes noutros eventos de destruição de estrelas, desde buracos negros que residem mais atrás no espaço e no tempo.
“Na próxima década, esperamos detectar mais destes eventos”, diz Pasham. “Estimar a rotação de vários buracos negros desde o início dos tempos até agora seria valioso em termos de estimar se existe uma relação entre a rotação e a idade dos buracos negros.”
Esta pesquisa foi apoiada, em parte, pela NASA.
Referência: “Uma quase periodicidade notavelmente alta depois que uma estrela é interrompida por um enorme buraco negro” por Dheeraj R. Pasham (MIT), Ronald A. Remillard, P. Chris Fragile, Alessia Franchini, Nicholas C. Stone, Giuseppe Lodato, Jeroen Homan, Deepto Chakrabarty, Frederick K. Baganoff, James F. Steiner, Eric R. Coughlin e Nishanth R. Pasham, 25 de outubro de 2018, arXiv.
DOI: 10.48550/arXiv.1810.10713