Se os astrônomos querem aprender sobre como buracos negros supermassivos se formam, eles têm que começar pequenos – realmente pequenos, astronomicamente falando.
De fato, uma equipe que inclui a astrônoma da Universidade de Michigan, Elena Gallo, descobriu que um buraco negro no centro de uma galáxia anã vizinha, chamada NGC 4395, é cerca de 40 vezes menor do que se pensava anteriormente. Suas descobertas são publicadas na revista Nature Astronomy.
Atualmente, os astrônomos acreditam que os buracos negros supermassivos estão no centro de todas as galáxias tão grandes ou maiores que a Via Láctea. Mas eles também estão curiosos sobre buracos negros em galáxias menores, como a NGC 4395. Conhecer a massa do buraco negro no centro da NGC 4395 – e ser capaz de medi-lo com precisão – pode ajudar os astrônomos a aplicarem essas técnicas a outros buracos negros.
“A questão permanece aberta para galáxias pequenas ou anãs: essas galáxias têm buracos negros e, se o fazem, são dimensionados da mesma maneira que buracos negros supermassivos?” Gallo disse. “Responder a essas perguntas pode nos ajudar a entender o mecanismo pelo qual esses buracos negros monstros foram reunidos quando o universo estava engatinhando.”
Para determinar a massa do buraco negro da NGC, Gallo e seus colegas pesquisadores usaram o mapeamento de reverberação. Essa técnica mede a massa monitorando a radiação emitida pelo que é chamado de disco de acreção ao redor do buraco negro. Um disco de acreção é uma massa de matéria coletada pela atração gravitacional dos buracos negros.
À medida que a radiação se desloca para fora deste disco de acreção, ela passa por outra nuvem de material mais distante do buraco negro que é mais difusa do que o disco de acreção. Esta área é chamada de região de linha larga.
Quando a radiação atinge o gás na região da linha ampla, faz com que os átomos passem por uma transição. Isso significa que a radiação libera um elétron da casca de um átomo de hidrogênio, por exemplo, fazendo com que o átomo ocupe um nível mais energético do átomo. Depois que a radiação passa, o átomo volta ao seu estado anterior. Os astrônomos podem imaginar essa transição, que parece um flash de brilho.
Ao medir quanto tempo leva para que a radiação do disco de acreção atinja a região da linha ampla e cause esses flashes, os astrônomos podem estimar a distância entre a região da linha larga e o buraco negro. Usando essa informação, eles podem calcular a massa do buraco negro.
“Acredita-se que a distância dependa da massa do buraco negro”, disse Gallo. “Quanto maior o buraco negro, maior a distância e mais tempo você espera que a luz seja emitida do disco de acreção para atingir a região mais ampla.”
Usando dados do Observatório MDM, os astrônomos calcularam que levou cerca de 83 minutos, mais ou menos 14 minutos, para que a radiação alcançasse a região da linha larga do disco de acreção. Para calcular a massa do buraco negro, eles também tinham que medir a velocidade intrínseca da região da linha larga, que é a velocidade na qual a nuvem da região está se movendo sob a influência da gravidade do buraco negro. Para fazer isso, eles pegaram um espectro de alta qualidade com o espectrômetro GMOS no telescópio GEMINI North.
Conhecendo este número, a velocidade da região da linha larga, a velocidade da luz e o que é chamado de constante gravitacional, ou uma medida de força gravitacional, os astrônomos foram capazes de determinar que a massa do buraco negro era de 10.000 vezes a massa de nosso sol – cerca de 40 vezes mais leve do que se pensava anteriormente. Este é também o menor buraco negro encontrado através do mapeamento de reverberação.
“Este regime de galáxias anãs é amplamente inexplorado quando se trata das propriedades de seus buracos negros nucleares”, disse Gallo. “Nós nem sabemos se toda galáxia tem um buraco negro. Isso adiciona um novo membro à família de buracos negros sobre os quais temos informações.”
Essa informação também pode ajudar os astrônomos a entender o tamanho dos buracos negros que formam as galáxias que eles ocupam. Um campo chamado feedback de buraco negro explora como os buracos negros afetam as propriedades de suas galáxias hospedeiras em escalas muito maiores do que a atração gravitacional deveria alcançar.
“Não há razão para que as estrelas que vivem em magnitude maior do que a área onde a gravidade dos buracos negros domina deva saber que há um buraco negro em sua galáxia, mas de alguma forma elas acontecem”, disse Gallo. “Buracos negros de alguma forma moldam a galáxia em que vivem em escalas muito grandes, e porque não sabemos muito sobre galáxias menores com seus buracos negros menores, não sabemos se isso é verdade até o fim. Com essa medida, nós pode adicionar mais informações a essa relação “.
Este resultado resultou de uma parceria entre a U-M Astronomy e o Departamento de Física e Astronomia da Universidade Nacional de Seul. Observações foram feitas no Observatório Norte GEMINI, no Havaí, e no Observatório MDM, no Arizona. O GEMINI é operado por uma parceria entre os Estados Unidos, Canadá, Chile, Brasil, Argentina e Coréia.
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