Cientistas conseguem a primeira imagem direta de um buraco negro expelindo um poderoso jato relativístico

Figura 1. Imagem obtida do M87* no comprimento de onda de 3,5 mm. Em destaque, amplificação da região interna revelando a forma do anel de fluxo de acreção com um diâmetro de 64 microarcossegundos, correspondendo a um raio de Schwarzschild de 8,4. Ref.1

Pela primeira vez, astrônomos observaram, na mesma imagem, a sombra do buraco negro no centro da galáxia Messier 87 (M87) e o poderoso jato energético emitido por esse corpo (Fig.1). As observações foram feitas em 2018 com uma rede global de telescópios (GMVA, ALMA e GLT) (Fig.2) e completam as imagens diretas prévias obtidas desse buraco negro supermassivo, a primeira em 2019 (1) e a segunda com máxima resolução liberada este ano (2). Graças à nova imagem - descrita em um estudo publicado ontem na Nature (Ref.1) -, os astrônomos podem agora entender melhor como buracos negros conseguem lançar jatos tão energéticos e próximos da velocidade da luz.

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Para mais informações:

Figura 2. Mapa de radiotelescópios usados para obter a imagem do buraco negro M87* no comprimento de onda de 3,5 mm [campanha Global GMVA 2018]. A operação conjunta de todos esses radiotelescópios permitem a construção virtual de um telescópio do tamanho da Terra, capaz de resolver detalhes muito pequenos a distâncias astronômicas absurdas.

O objeto Messier 87 (M87) é uma enorme galáxia elíptica localizada a cerca de 55 milhões de anos-luz da Terra, visível na constelação de Virgem (Fig.3). Foi descoberta por Charles Messier em 1781, mas não foi identificada como uma galáxia até o século XX. Com o dobro da massa da nossa galáxia (Via Láctea) e contendo até 10 vezes mais estrelas, a M87 está entre as maiores galáxias no universo local. Assim como todas as outras grandes galáxias conhecidas, a M87 possui um supermassivo buraco negro no seu centro. A massa desse buraco negro - correlacionada com a massa da galáxia "hospedeira" - é 6,5 bilhões de vezes maior do que a massa do Sol. Esse 'monstro' explica uma das características mais energéticas da galáxia M87: um jato relativístico de matéria sendo ejetada a velocidades próximas da luz (aproximadamente 300000 km/s no vácuo).

Figura 3. Imagem da galáxia Messier 87 capturada pelo Telescópio Muito Grande do ESO. Ref.3

Jatos relativísticos são feixes estendidos de matéria ionizada que são emitidos em direções opostas ao longo do eixo de rotação de galáxias ativas, quasares (!), buracos negros estelares, estrelas de nêutrons e pulsares a velocidades que se aproximam da luz, ou seja, onde efeitos associados à Relatividade Especial começam a se tornar pronunciados (2) (Fig.4). As assinaturas radiativas e luminosidade cinética desses jatos podem ser imensamente poderosas e os feixes podem exceder milhares a milhões de parsecs de comprimento, ou seja, muito além dos limites da galáxia que hospeda a fonte dos jatos (3). Os mecanismos precisos pelos quais os jatos relativísticos são produzidos são ainda motivo de acalorado debate na comunidade científica. No caso dos buracos negros, os jatos são ejetados da região cercando esses corpos, mas é pouco compreendido como o fenômeno ocorre.

Figura 4. Concepção artística do fluxo de acreção e do jato relativístico emergindo da região onde o buraco negro M87* está localizado. O fluxo/disco de acreção representa matéria nas vizinhanças acelerada e "sugada" para dentro do buraco negro.

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(2) Para mais informações, fica a sugestão de leitura: Qual a diferença entre as Teorias da Relatividade Geral e da Relatividade Especial?

(3) Cada parsec (pc) é equivalente a 3,26 anos-luz; 1 ano-luz é a distância coberta pela luz no vácuo ao longo do período de 1 ano, cerca de 9,46 trilhões de quilômetros.

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A nova imagem descrita na Nature mostra o jato relativístico associado ao M87* emergindo próximo do buraco negro, assim como a "sombra" desse corpo. À medida que matéria orbita o buraco negro em altíssima velocidade, essa é aquecida através da interação entre elétrons altamente energéticos e campos magnéticos (4), emitindo energia radiativa no processo ('luz'/radiação eletromagnética, incluindo o espectro de rádio). O buraco negro curva e captura parte dessa luz, criando uma estrutura similar a um anel ao redor do corpo como observado aqui da Terra. A região escura no centro desse anel é a sombra do buraco negro, como visto na imagem produzida em 2017 pelo Telescópio do Horizonte de Eventos (EHT) e liberada em 2019. Porém, diferente da imagem do EHT produzida a partir de observações de rádio com comprimento de onda de 1,3 mm, a nova imagem foi produzida pela rede GMVA com observações em 3,5 mm. Nesse novo comprimento de onda associado ao M87*, foi possível ver como os jatos emergem do anel de emissão ao redor do supermassivo buraco negro.

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(4) Esse fenômeno é conhecido como radiação síncrotron. Para mais informações, sugestão de leitura: Acelerador de partículas Sirius: Orgulho Brasileiro!

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O tamanho do anel observado é ~50% maior em comparação com a imagem do EHT, além de mais grosso e menos definido; isso sugere que mais material - na forma de plasma superaquecido sendo acelerado no sentido do buraco negro - pode ser observado. Esse plasma é estimado de estar sendo aquecido a temperaturas de centenas de bilhões de graus Celsius, à medida que é acelerado a velocidades relativísticas. Na imagem (Fig.1) também podemos ver uma trilha de plasma saindo do anel central, a qual os cientistas concluíram fazer parte de um jato relativístico sendo emitido pelo buraco negro. Os cientistas também observaram pela primeira vez que a base do jato parece estar conectada ao anel central.

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"Essa é a primeira imagem que nós fomos capazes de apontar onde o anel está relativo ao poderoso jato escapando do buraco negro central," disse o Dr. Kazunori Akyama, um pesquisador no Observatório Haystack do MIT, e responsável por desenvolver o programa computacional de imagem usado para visualizar o M87* (Ref.4). "Agora nós podemos começar a adereçar questões sobre como partículas são aceleradas e aquecidas, e vários outros mistérios ao redor de um buraco negro, com maior profundidade."

Os dados associados à nova imagem também apontaram um potencial novo fenômeno. A radiação oriunda da região interna próxima do buraco negro mostrou-se mais ampla do que o esperado. Isso pode significar que existe mais do que apenas gás aquecido caindo dentro do buraco negro. Pode ter também um "vento" saindo do buraco negro e associado ao fluxo de acreção, causando turbulência e caos ao redor desse corpo. Esse vento pode estar sendo alimentado por uma combinação de força centrífuga e gás e pressão magnética, criando elétrons não-térmicos acelerados e emitindo radiação síncrotron extra.

(!) QUASARES

Além da nova imagem descrita na Nature, um segundo estudo publicado esta semana no periódico Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (Ref.5) revelou como a atividade dos quasares é engatilhada. Os quasares são núcleos ativos de galáxias constituídos de supermassivos buracos negros com massas bilhões de vezes maior do que aquela do Sol - similar ao M87* - e representam os mais poderosos objetos visíveis no Universo. Primeiro descobertos 60 anos atrás, os quasares podem emitir luminosidade equivalente a trilhões de estrelas, mas confinados em um volume comparável àquele do nosso Sistema Solar.

Observando 48 galáxias que hospedem quasares e as comparando com mais de 100 galáxias sem quasares, os cientistas descobriram que o fenômeno é engatilhado pela colisão de galáxias. Quando duas galáxias colidem, forças gravitacionais empurram enormes quantidades de gás no sentido dos supermassivos buracos negros no centro do sistema galáctico remanescente; antes do gás ser consumido pelo buraco negro, extraordinária quantidade de energia é liberada na forma de radiação, resultando em um quasar.

Segundo os autores do novo estudo, é provável que a nossa galáxia (Via Láctea) irá experienciar seu próprio quasar quando colidir com a galáxia Andrômeda, um evento esperado de ocorrer daqui a cerca de 5 bilhões de anos.

> Dentro da Via Láctea existe também um supermassivo buraco negro (Sagitário A*). Para mais informações: Primeira imagem do supermassivo buraco negro no centro da nossa galáxia é revelada

REFERÊNCIAS