Mistério do brilho dos buracos negros pode ter sido desvendado

Redação do Site Inovação Tecnológica - 24/11/2022

Partículas de alta energia no jato emitido pelo buraco negro (azul) atingem a onda de choque, representada como uma barra branca, ficam mais energizadas e emitem raios X à medida que aceleram. Afastando-se do choque, elas emitem luz de baixa energia: Primeiro visível, depois infravermelha e então ondas de rádio. Mais longe do choque, as linhas do campo magnético são mais caóticas, causando mais turbulência no fluxo de partículas.
[Imagem: NASA/Pablo Garcia]

Por que, afinal, os buracos negros brilham?

Comece com um buraco negro supermassivo no centro de uma galáxia. Ao engolir material nessa região muito densa, que se aglomera na forma de um disco ao redor do buraco negro, criam-se dois jatos de energia perpendiculares ao disco.

Quando um desses jatos calha de estar virado bem na direção da Terra, então chamamos esse conjunto todo de um blazar. Devido à intensa radiação gerada conforme o buraco negro engole a matéria, os blazares estão entre os objetos mais brilhantes do Universo.

Mas como pode ser assim se, na origem tudo está um corpo celeste com uma gravidade tão grande que nada, nem mesmo a luz, consegue escapar?

Embora a chamada radiação Hawking seja razoavelmente bem compreendida pelos físicos, já tendo sido até mesmo simulada com raios laser, não haviam ainda boas ideias sobre o mecanismo que faz com que esses jatos, emitidos a partir de efeitos quânticos, podem atingir energias tão elevadas quanto as que vemos nos blazares.

Agora, uma grande equipe internacional usou dados do observatório de raios X IXPE, lançado pela NASA no ano passado, para elaborar um provável mecanismo para explicar esse acelerador cósmico.

"Este é um mistério de 40 anos que resolvemos. Nós finalmente obtivemos todas as peças do quebra-cabeça, e a imagem que elas formaram é clara," disse Yannis Liodakis, astrônomo do Centro Finlandês de Astronomia e principal autor do estudo.

Brilho dos blazares

A equipe usou o IXPE para observar um blazar na constelação de Hércules, chamado Markarian 501, que fica no centro de uma grande galáxia elíptica.

O blazar foi observado por três dias no início de março de 2022 e novamente duas semanas depois. Durante essas observações, os astrônomos usaram outros telescópios no espaço e no solo para coletar informações sobre o blazar em uma ampla gama de comprimentos de onda de luz, incluindo rádio, óptica e raios X.

Outras observações já haviam mostrado a polarização da luz de baixa energia dos blazares, mas esta foi a primeira vez que os astrônomos contaram com essa perspectiva dos raios X de um blazar, que são emitidos mais próximos da fonte de aceleração das partículas. "Adicionar a polarização de raios X ao nosso arsenal de polarização de rádio, infravermelho e óptica é um divisor de águas," disse Alan Marscher, astrônomo da Universidade de Boston e membro da equipe.

Os astrônomos descobriram que a luz de raios X é mais polarizada que a luz visível, que é mais polarizada que as ondas de rádio. Mas a direção da luz polarizada é a mesma para todos os comprimentos de onda de luz observados, e também está alinhada com a direção do jato emitido pelo blazar.

Explicações e novas perguntas

Depois de comparar estas novas informações com modelos teóricos, a equipe concluiu que os dados correspondem melhor com um cenário em que uma onda de choque acelera as partículas do jato emitido pelo buraco negro.

Uma onda de choque é gerada quando algo se move mais rápido do que a velocidade do som no material circundante, como quando um avião supersônico voa na atmosfera da Terra.

"À medida que a onda de choque atravessa a região, o campo magnético fica mais forte e a energia das partículas aumenta. A energia vem da energia de movimento do material que faz a onda de choque," disse Marscher.

À medida que as partículas distanciam-se do blazar elas emitem raios X já de cara porque são extremamente energéticas. Distanciando-se ainda mais espaço afora, através da região turbulenta mais distante do local de origem da onda de choque, elas começam a perder energia, o que as faz emitir luz menos energética, como ondas ópticas e depois de rádio. Isso é análogo a como o fluxo de água se torna mais turbulento depois de encontrar uma cachoeira, com a diferença que, no jato do blazar, são os campos magnéticos que criam a turbulência.

O mecanismo é bastante convincente e adere bem aos dados coletados pela equipe. Mas estamos longe de contar com todas as respostas: Agora será necessário descobrir as origens dessa onda de choque que fundamenta todo o mecanismo proposto pela equipe.

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