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Um disco de acreção é um redemoinho colossal de gás e poeira que se acumula em torno de um buraco negro ou de uma estrela de nêutrons como algodão-doce enquanto puxa material de uma estrela próxima. À medida que o disco gira, ele cria ventos poderosos que empurram e puxam o plasma em rotação. Esses fluxos maciços podem afetar os arredores dos buracos negros aquecendo e soprando o gás e a poeira ao seu redor.
Em escalas imensas, os “ventos de disco” podem oferecer pistas de como os buracos negros supermassivos moldam galáxias inteiras. Os astrônomos observaram sinais de ventos de disco em muitos sistemas, incluindo acreção de buracos negros e estrelas de nêutrons. Mas, até o momento, eles apenas vislumbraram uma visão muito estreita desse fenômeno.
Agora, os astrônomos do MIT observaram uma faixa mais ampla de ventos, em Hercules X-1, um sistema no qual uma estrela de nêutrons está extraindo material de uma estrela parecida com o sol. O disco de acreção desta estrela de nêutrons é único porque oscila, ou “precede”, conforme gira. Aproveitando essa oscilação, os astrônomos capturaram várias perspectivas do disco em rotação e criaram pela primeira vez um mapa bidimensional de seus ventos.
O novo mapa revela a forma e a estrutura vertical do vento, bem como sua velocidade – cerca de centenas de quilômetros por segundo, ou cerca de um milhão de milhas por hora, que está no limite mais moderado do que os discos de acreção podem girar.
Se os astrônomos puderem identificar mais sistemas oscilantes no futuro, a técnica de mapeamento da equipe poderá ajudar a determinar como os ventos do disco influenciam a formação e evolução de sistemas estelares e até mesmo de galáxias inteiras.
“No futuro, poderíamos mapear os ventos do disco em uma variedade de objetos e determinar como as propriedades do vento mudam, por exemplo, com a massa de um buraco negro ou com quanto material ele está acumulando”, diz Peter Kosec, pós-doutorado em Instituto Kavli do MIT para Astrofísica e Pesquisa Espacial. “Isso ajudará a determinar como os buracos negros e as estrelas de nêutrons influenciam nosso universo.”
Kosec é o principal autor de um estudo publicado na Nature Astronomy. Seus co-autores do MIT incluem Erin Kara, Daniele Rogantini e Claude Canizares, juntamente com colaboradores de várias instituições, incluindo o Instituto de Astronomia em Cambridge, Reino Unido.
Mira fixa
Os ventos de disco têm sido observados com mais frequência em binários de raios-X – sistemas nos quais um buraco negro ou uma estrela de nêutrons está puxando material de um objeto menos denso e gerando um disco incandescente de matéria inspiradora, juntamente com o fluxo de vento. Exatamente como os ventos são lançados a partir desses sistemas não está claro. Algumas teorias propõem que os campos magnéticos podem destruir o disco e expelir parte do material para fora como vento. Outros postulam que a radiação da estrela de nêutrons pode aquecer e evaporar a superfície do disco em rajadas de calor.
Pistas para as origens de um vento podem ser deduzidas de sua estrutura, mas a forma e a extensão dos ventos do disco têm sido difíceis de resolver. A maioria dos binários produz discos de acreção que são relativamente uniformes em forma, como rosquinhas finas de gás que giram em um único plano. Os astrônomos que estudam esses discos a partir de satélites ou telescópios distantes só podem observar os efeitos dos ventos do disco dentro de uma faixa fixa e estreita, em relação ao disco em rotação. Qualquer vento que os astrônomos conseguem detectar é, portanto, uma pequena lasca de sua estrutura maior.
“Só podemos sondar as propriedades do vento em um único ponto e estamos completamente cegos para tudo ao redor desse ponto”, observa Kosec.
Em 2020, ele e seus colegas perceberam que um sistema binário poderia oferecer uma visão mais ampla dos ventos do disco. O Hercules X-1 se destacou entre os binários de raios-X mais conhecidos por seu disco de acreção distorcido, que oscila ao girar em torno da estrela de nêutrons central do sistema.
“O disco está realmente oscilando ao longo do tempo a cada 35 dias, e os ventos estão se originando em algum lugar do disco e cruzando nossa linha de visão em diferentes alturas acima do disco com o tempo”, explica Kosec. “Essa é uma propriedade única deste sistema que nos permite entender melhor suas propriedades de vento vertical.”
Uma oscilação distorcida
No novo estudo, os pesquisadores observaram Hercules X-1 usando dois telescópios de raios-X – o XMM Newton da Agência Espacial Europeia e o Observatório Chandra da NASA.
“O que medimos é um espectro de raios-X, o que significa a quantidade de fótons de raios-X que chegam aos nossos detectores, versus sua energia. Medimos as linhas de absorção ou a falta de luz de raios-X em energias muito específicas”, diz Kosec. “A partir da proporção de quão fortes são as diferentes linhas, podemos determinar a temperatura, a velocidade e a quantidade de plasma dentro do vento do disco.”
Com o disco distorcido do Hercules X-1, os astrônomos conseguiram ver a linha do disco movendo-se para cima e para baixo à medida que oscilava e girava, semelhante à forma como um registro distorcido parece oscilar quando visto de lado. O efeito foi tal que os pesquisadores puderam observar sinais de ventos de disco em alturas variáveis em relação ao disco, em vez de em uma única altura fixa acima de um disco girando uniformemente.
Medindo as emissões de raios-X e as linhas de absorção à medida que o disco oscilava e girava ao longo do tempo, os pesquisadores puderam escanear propriedades como a temperatura e a densidade dos ventos em várias alturas em relação ao disco e construir um mapa bidimensional da direção do vento. estrutura vertical.
“O que vemos é que o vento sobe do disco, em um ângulo de cerca de 12 graus em relação ao disco conforme ele se expande no espaço”, diz Kosec. “Também está ficando mais frio e mais grumoso, e mais fraco em alturas maiores acima do disco”.
A equipe planeja comparar suas observações com simulações teóricas de vários mecanismos de lançamento de vento, para ver qual poderia explicar melhor as origens do vento. Mais adiante, eles esperam descobrir mais sistemas deformados e oscilantes e mapear suas estruturas de vento em disco. Então, os cientistas poderiam ter uma visão mais ampla dos ventos do disco e como esses fluxos influenciam seus arredores – particularmente em escalas muito maiores.
“Como os buracos negros supermassivos afetam a forma e a estrutura das galáxias?” representa Erin Kara, a turma de 1958 Professora Assistente de Desenvolvimento de Carreira de Física no MIT. “Uma das principais hipóteses é que os ventos do disco, lançados de um buraco negro, podem afetar a aparência das galáxias. Agora podemos obter uma imagem mais detalhada de como esses ventos são lançados e como eles se parecem”.
Publicado em 12/04/2023 22h58
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