O padrão de pulso sugere que o buraco negro distante deve estar girando a pelo menos 50% da velocidade da luz
Em 22 de novembro de 2014, astrônomos avistaram um raro evento no céu noturno: um buraco negro supermassivo no centro de uma galáxia, a cerca de 300 milhões de anos-luz da Terra, destruindo uma estrela . O evento, conhecido como um surto de disrupção de marés, devido à força massiva do buraco negro que separa uma estrela, criou uma explosão de atividade de raios X perto do centro da galáxia. Desde então, uma série de observatórios voltaram suas visões no evento, na esperança de aprender mais sobre como os buracos negros se alimentam.
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| A impressão deste artista mostra o gás quente orbitando em um disco em torno de um buraco negro em rápida rotação. O ponto alongado mostra uma região brilhante de raios X no disco, que permite estimar o giro do buraco negro. Crédito: NASA / CXC / M. Weiss |
Agora, pesquisadores do MIT (sigla em inglês para Instituto de Tecnologia de Massachusetts) e de outros lugares se debruçaram sobre dados de observações de múltiplos telescópios do evento e descobriram um pulso curiosamente intenso, estável e periódico, ou sinal, de raios-X, 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 engolida inescapavelmente pelo buraco negro. O sinal parece clarear e desaparecer periodicamente a cada 131 segundos e persiste por pelo menos 450 dias.
Os pesquisadores acreditam que o que quer que esteja emitindo o sinal periódico deve estar em órbita do buraco negro, perto do horizonte de eventos, perto da Órbita Circular mais Íntima, ou ISCO - a menor órbita na qual uma partícula pode viajar em segurança ao redor de um buraco negro.
Dada a proximidade estável do sinal com o buraco negro, e a massa do buraco negro, que os pesquisadores estimaram ser cerca de 1 milhão de vezes maior que a do sol, a equipe calculou que o buraco negro está girando em torno de 50% da velocidade da luz.
As descobertas, relatadas hoje na revista Science , são a primeira demonstração de um surto de disrupção de maré usado para estimar o giro de um buraco negro.
O primeiro autor do estudo, Dheeraj Pasham, um pós-doutorado no Instituto Kavli de Astrofísica e Pesquisa Espacial do MIT, diz que a maioria dos buracos negros supermassivos está dormente e geralmente não emitem muito o caminho da radiação de raios-X. Apenas ocasionalmente eles liberam uma explosão de atividade, como quando as estrelas se aproximam o suficiente para que os buracos negros os devorem. Agora ele diz que, dados os resultados da equipe, essas explosões de maré podem ser usadas para estimar o giro de buracos negros supermassivos - uma característica que tem sido, até agora, incrivelmente difícil de definir.
"Eventos em que buracos negros destroem estrelas próximas demais podem nos ajudar a mapear os spins de vários buracos negros supermassivos que estão inativos e escondidos nos centros de galáxias", diz Pasham. "Isso poderia nos ajudar a entender como as galáxias evoluíram ao longo do tempo cósmico."
Os co-autores de Pasham incluem Ronald Remillard, Jeroen Homan, Deepto Chakrabarty, Frederick Baganoff e James Steiner do MIT; Alessia Franchini, da Universidade de Nevada; Chris Fragile do Colégio de Charleston; Nicholas Stone, da Universidade de Columbia; Eric Coughlin, da Universidade da Califórnia em Berkeley; e Nishanth Pasham, de Sunnyvale, Califórnia.
Um sinal real
Modelos teóricos de explosões de maré mostram que quando um buraco negro fragmenta uma estrela, parte do material dessa estrela pode ficar fora do horizonte de eventos, circulando, pelo menos temporariamente, em uma órbita estável como a ISCO, e emitindo flashes periódicos de Raios-X antes de finalmente serem devorados pelo buraco negro. A periodicidade dos flashes de raios X, portanto, codifica informações importantes sobre o tamanho da ISCO, que é ditada pela rapidez com que o buraco negro está girando.
Pasham e seus colegas pensaram que, se pudessem ver esses flashes regulares muito próximos de um buraco negro que havia passado por um recente evento de ruptura das marés, esses sinais poderiam dar a eles uma ideia de quão rápido o buraco negro estava girando.
Eles concentraram sua busca no ASASSN-14li, o evento de ruptura das marés que os astrônomos identificaram em novembro de 2014, usando o Levantamento Automático de Supernova (ASASSN) baseado no solo.
"Esse sistema é empolgante porque achamos que é um exemplo para as explosões de ruptura das marés", diz Pasham. "Este evento particular parece combinar muitas das previsões teóricas."
A equipe analisou os conjuntos de dados arquivados de três observatórios que coletaram medidas de raios-X do evento desde a sua descoberta: o observatório espacial XMM-Newton da Agência Espacial Européia e os observatórios Chandra e Swift baseados na NASA. A Pasham desenvolveu anteriormente um código de computador para detectar padrões periódicos em dados astrofísicos, embora não especificamente para eventos de ruptura das marés. Ele decidiu aplicar seu código aos três conjuntos de dados do ASASSN-14li, para ver se quaisquer padrões periódicos comuns subiriam à superfície.
O que ele observou foi uma explosão de radiação de raios-X surpreendentemente forte, estável e periódica, que parecia vir de muito perto da borda do buraco negro. O sinal pulsava a cada 131 segundos, mais de 450 dias, e era extremamente intenso - cerca de 40% acima do brilho de raios X médio do buraco negro.
"No começo eu não acreditei porque o sinal era tão forte", diz Pasham. "Mas nós vimos isso nos 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 está girando a pelo menos 50% da velocidade da luz - cerca de 150000 km por segundo.
"Isso não é super rápido - há outros buracos negros com spins estimados em cerca de 99% da velocidade da luz", diz Pasham. "Mas esta é a primeira vez que somos capazes de usar explosões de ruptura das marés para restringir os giros 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 poderia tê-lo gerado. A equipe apresentou vários cenários, mas o que parece ser o mais propenso a gerar uma explosão tão forte e regular de raios X envolve não apenas um buraco negro rasgando uma estrela que passa, mas também um tipo menor de estrela, conhecida como anã branca, orbitando perto do buraco negro.
Tal anã branca pode ter circulado o buraco negro supermassivo, na ISCO - a órbita circular mais interna e estável - por algum tempo. Sozinha, não teria sido suficiente para emitir qualquer tipo de radiação detectável. Para todos os efeitos, a anã branca teria sido invisível para os telescópios enquanto circulava o buraco negro relativamente inativo e giratório.
Por volta de 22 de novembro de 2014, uma segunda estrela passou perto o suficiente do sistema que o buraco negro o destruiu em um surto de disrupção de maré que emitiu uma enorme quantidade de radiação de raios-X, na forma de matéria estelar quente e triturada. Quando o buraco negro puxou essa matéria para dentro, alguns dos destroços estelares caíram no buraco negro, enquanto alguns permaneceram do lado de fora, na órbita estável mais interna - a mesma órbita na qual a anã branca circulava. Quando a anã branca entrou em contato com esse material estelar quente, provavelmente o arrastou como um sobretudo luminoso, iluminando a anã branca em uma quantidade intensa de raios X cada vez que circulava 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 esse cenário seriam extremamente pequenas.
"O problema com este cenário é que, se você tem um buraco negro com uma massa que é 1 milhão de vezes maior do que a do sol, e uma anã branca está circulando, então em algum momento ao longo de algumas centenas de anos, a anã branca mergulha 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."
O significado geral dos resultados é que eles mostram que é possível restringir o giro de um buraco negro, a partir de eventos de ruptura das marés, de acordo com Pasham. Indo adiante, ele espera identificar padrões estáveis similares em outros eventos de destruição de estrelas, de buracos negros que residem mais no espaço e no tempo.
"Na próxima década, esperamos detectar mais desses eventos", diz Pasham. "Estimar spins de vários buracos negros desde o início dos tempos até agora seria valioso em termos de estimar se existe uma relação entre o spin e a idade dos buracos negros."
Esta pesquisa foi apoiada, em parte, pela NASA.
Fonte:Massachusetts Institute of Technology . Original escrito por Jennifer Chu.
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