Depois que um telescópio espacial se desintegrou, os astrofísicos tiveram poucas esperanças de entender como os buracos negros supermassivos agitam galáxias gigantes. Então eles tiveram que ser criativos.
Quando o telescópio espacial Hitomi atingiu com sucesso a órbita no início de 2016, os astrônomos pensaram que sua série de azar havia terminado. Um antecessor, lançado em 2000, havia colidido com o oceano. Uma missão de acompanhamento vazou hélio; as operações completas duraram apenas algumas semanas. Hitomi, um satélite de raios-X com a capacidade única de classificar alguns dos fótons mais energéticos do universo por energia, representou a última chance dos astrofísicos de desmistificar o comportamento de galáxias colossais. No momento em que ficou operacional, a sonda treinou seus olhos em um aglomerado de galáxias na constelação de Perseu.
Há muito que os cientistas se perguntam por que essas galáxias energeticamente “ativas” – cheias de gás medindo milhões de graus – não produzem estrelas a uma velocidade mais feroz. À medida que suas nuvens quentes lançam raios X no espaço, o gás deve esfriar, como um pôquer quente perdendo seu brilho. Com o tempo, o gás deve se estabelecer e se agrupar, formando estrelas. “Deveria haver uma enorme construção de galáxias acontecendo no meio desses sistemas”, disse Mark Voit, astrônomo da Michigan State University. Mas “não vemos nada disso”. As galáxias também não esquentam. Algo parece estar mantendo-os Cachinhos Dourados quentes.
Os astrofísicos haviam assumido há muito tempo que o buraco negro supermassivo no coração de cada uma das galáxias estava micromanejando o termostato. Mas como um pontinho tão pequeno, comparável em tamanho ao nosso próprio sistema solar, pode conduzir o comportamento de uma galáxia com centenas de milhares de anos-luz de diâmetro?
Os pesquisadores suspeitavam que vastos jatos de energia, expulsos de ambos os lados do buraco negro, pudessem provocar turbulência nas nuvens para manter tudo quente. Hitomi foi lançado em parte para detectar essa turbulência.
No entanto, quando Hitomi se voltou para Perseu, as nuvens de gás pareciam muito baixas, enfatizando a ideia de que a turbulência era suficiente para fazer o trabalho. Os dados coletados apenas nos primeiros dias de observações desafiaram uma idéia líder em astrofísica.
Então o desastre aconteceu.
Antes que os pesquisadores pudessem transformar Hitomi em direção a outras galáxias para confirmação, a sonda caiu fora de controle e se transformou em pedaços, vítima de má sorte e engenharia ruinosa. Uma breve observação de Perseus foi o principal resultado da missão de US $ 300 milhões. “É uma história triste”, disse Voit. “Estávamos ansiosos por ter essa capacidade de realizar boa espectroscopia de raios X por décadas”.
Agora, um novo estudo desafiou as conclusões de Hitomi. Ao evitar os dados de raios-X difíceis de obter, descobre que a turbulência ainda pode ser responsável pela natureza das Cachinhos Dourados dessas galáxias ativas.
Siga as bolhas
Se você deseja estudar gases que emitem raios-X, é bom ter um satélite de raios-X dedicado. Mas os pesquisadores descobriram uma maneira de investigar turbulências sem o uso de raios-X.
Yuan Li, um astrofísico teórico da Universidade da Califórnia, Berkeley, planejara estudar bolhas especiais que se escondem perto dos buracos negros supermassivos centrais de galáxias massivas. Ela queria verificar se as formas das bolhas combinavam com suas teorias. Como as bolhas são mais frias que o gás circundante, elas brilham na luz visível, o que significa que você não precisa de um satélite de raios-X para ver esses “filamentos” mais densos. Ela pesquisou os dados existentes e encontrou observações de filamentos no centro. de três aglomerados de galáxias próximos – Perseus, Abell 2597 e Virgo.
Quando ela obteve os dados, ela percebeu que também havia informações sobre quais partes dos filamentos estavam se movendo em quais direções. Ela acreditava que, se rastreasse como as bolhas se moviam, poderia discernir o que estava acontecendo no gás invisível – uma estratégia semelhante ao uso de folhas esvoaçantes para mapear o vento. “É uma maneira totalmente nova de encarar esse problema”, disse Voit.
A principal questão era a turbulência, um padrão específico de movimento no qual grandes explosões de energia se dividem em espirais menores, que depois se dividem em turbilhões menores, distribuindo energia até a escala de partículas individuais. A turbulência poderia explicar como a energia estava saindo dos jatos do buraco negro – enormes fontes de partículas, com milhares de anos-luz de duração – em tremores no nível de partículas. Turbulência poderia ser como o buraco negro mantinha a galáxia quente.
Li e seus colegas procuraram as impressões digitais da turbulência, apresentando uma longa lista de pares de locais nos filamentos. Alguns dos pares estavam juntos, outros mais distantes. Para cada par, eles compararam a velocidade relativa do gás em cada ponto à distância entre os pontos.
Se um filamento estava se movendo em uma direção uniforme – caindo em direção ao buraco negro, por exemplo -, os pontos a todas as distâncias apareciam se movendo na mesma velocidade. Mas se pontos distantes um do outro se movessem relativamente rápido, enquanto pontos próximos se moviam lentamente, os filamentos se moveriam de maneiras complicadas, com turbilhões de todos os tamanhos.
Foi exatamente isso que a equipe encontrou, conforme descrevem em pesquisa a ser publicada no The Astrophysical Journal Letters. Quanto mais distantes forem os pontos, mais rapidamente eles se moverão.
Li ficou maravilhado com a forma como era precisamente o tipo de turbilhão intrincado que poderíamos esperar das nuvens turbulentas de gás que empurravam os filamentos. “Foi quase um pouco perturbador o quão pequenas eram as incertezas”, disse ela. “Os dados em si são realmente bonitos.”
A existência de movimentos que variam de pequeno a grande porte representa, de acordo com Li, uma pistola de fumaça indicando que a turbulência é responsável por pegar a energia no nível galáctico e triturá-la até o nível de partículas. “Esta [pesquisa] está nos dizendo que os buracos negros podem causar turbulência”, disse ela.
Outros gostariam de ver uma modelagem mais detalhada do processo em cascata antes de concordar com as conclusões. “É interessante”, disse Brian McNamara, astrofísico da Universidade de Waterloo, no Canadá, “mas acho que eles precisam se aprofundar”.
Li fortalece seu caso, rastreando esse fluxo de energia de volta ao buraco negro central. Os maiores redemoinhos de filamentos (e presumivelmente os maiores redemoinhos de gás) medem alguns milhares de anos-luz em tamanho, correspondendo aos longos jatos. Se alguma outra colher cósmica maior tivesse despertado a turbulência, a equipe teria encontrado redemoinhos maiores.
Quanto ao papel preciso da turbulência, o debate continua. Na turbulência dos livros didáticos, cascatas de energia de grandes a pequenas de uma maneira particular – redemoinhos de um determinado tamanho geram espirais de um certo tipo. Nos filamentos de Li, no entanto, os redemoinhos menores não se transformam com rapidez suficiente para satisfazer a definição clássica. A energia falha em atingir as pequenas partes dos filamentos com a mesma eficiência que deveria se a turbulência estivesse fazendo a distribuição.
Uma explicação de economia de turbulência está na natureza pouco compreendida das nuvens de gás. As nuvens são feitas de um plasma de partículas carregadas tão finas que qualquer partícula pode flutuar por dezenas de anos-luz sem encontrar outra. Em tais véus finos, a energia pode muito bem desaparecer no calor mais cedo do que a teoria prevê.
Ou a aparência de turbulência pode ser uma ilusão. Só porque as galáxias têm movimento em larga e pequena escala, disse Christopher Reynolds, astrofísico da Universidade de Cambridge, que não garante que a turbulência esteja transformando a primeira em segunda. O movimento mais lento e preciso pode representar ondas sonoras agitadas do buraco negro – ondas de choque produzidas quando os jatos se chocam contra o gás circundante.
Publicado em 13/12/2019
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