Fluxos de gás caem em suas desgraças, mergulhando em buracos negros, trancados para longe do universo para sempre. Nos momentos finais, esses fragmentos de gás emitem uma última labareda de luz, algumas das emissões mais brilhantes do universo.
Esses mergulhos da morte estão muito longe para serem vistos diretamente, mas os astrônomos criaram uma nova técnica para detectar seus gritos de pânico em busca de ajuda. Eles estão usando o método para testar nosso conhecimento da gravidade nos ambientes mais extremos do universo.
Em um novo estudo, os físicos analisaram características específicas dessa luz para descobrir o mais próximo possível de um buraco negro sem ter que trabalhar duro para evitar desastres – um limiar chamado de órbita circular estável mais interna ou ISCO. Os pesquisadores descobriram que seu método poderia funcionar com telescópios de raios-X mais sensíveis disponíveis online.
Sobre a cachoeira
O horizonte de eventos de um buraco negro é a linha invisível na areia através da qual você nunca pode retornar. Uma vez que algo passa pelo horizonte de eventos, até a própria luz, ele não pode mais retornar ao universo. A gravidade do buraco negro é muito forte nessa região.
Fora de um buraco negro, no entanto, tudo é simplesmente dândi. Um buraco negro em particular terá uma certa massa (de algumas vezes a massa do sol para os menores da galáxia até bilhões de vezes mais pesados para os verdadeiros monstros que vagam pelo cosmos), e orbitar o buraco negro é como orbitando qualquer outra coisa de massa idêntica. Gravidade é apenas gravidade, e órbitas são órbitas.
De fato, muitas coisas no universo se encontram orbitando em torno de buracos negros. Uma vez que esses aventureiros imprudentes são pegos no abraço gravitacional do buraco negro, eles começam a jornada no final. À medida que o material cai em direção ao buraco negro, ele tende a ser espremido em uma faixa fina como um disco de acreção. Esse disco gira e gira, com calor, atrito e forças magnéticas e elétricas energizando-o, fazendo com que o material brilhe intensamente.
No caso dos buracos negros mais maciços, os discos de acúmulo ao redor deles brilham tão intensamente que recebem um novo nome: núcleos galácticos ativos (AGN), capazes de ofuscar milhões de galáxias individuais.
No disco de acreção, pedaços individuais de material se esfregam contra outros pedaços, drenando-os de energia rotacional e levando-os sempre para dentro da fenda aberta do horizonte de eventos do buraco negro. Mas ainda assim, se não fosse por essas forças de atrito, o material seria capaz de orbitar em torno do buraco negro em perpetuidade, da mesma forma que os planetas podem orbitar em torno do sol por bilhões de anos.
Um pedido de ajuda
Ao se aproximar do centro do buraco negro, porém, você chega a um certo ponto em que todas as esperanças de estabilidade são arremessadas contra as rochas da gravidade. Logo fora do buraco negro, mas antes de atingir o horizonte de eventos, as forças gravitacionais são tão extremas que órbitas estáveis se tornam impossíveis. Depois de chegar a essa região, você não pode permanecer em órbita plácida. Você tem apenas duas opções: se você tiver foguetes ou alguma outra fonte de energia, poderá se afastar em segurança. Mas se você é um pedaço infeliz de gasolina, está fadado a cair livremente em direção ao pesadelo escuro que está esperando lá embaixo.
Esse limite, a órbita circular estável mais interna (ou ISCO para os amantes do jargão astronômico), é uma firme previsão da teoria geral da relatividade de Einstein, a mesma teoria que prediz a existência de buracos negros em primeiro lugar.
Apesar do sucesso da relatividade geral na previsão e explicação de fenômenos em todo o universo, e do nosso conhecimento seguro de que os buracos negros são reais, nunca fomos capazes de verificar a existência da ISCO e se está de acordo com as previsões da relatividade geral.
Mas o gás que cai em sua desgraça pode fornecer uma maneira de verificarmos essa existência.
Luzes de dança
Uma equipe de astrônomos publicou recentemente um artigo na revista Monthly Notices da Royal Astronomical Society, que também foi carregada na revista de pré-impressão arXiv, descrevendo como tirar proveito dessa luz mortal para estudar a ISCO. Sua técnica se baseia em um truque astronômico conhecido como mapeamento de reverberação, que tira proveito do fato de que diferentes regiões ao redor do buraco negro se iluminam de maneiras diferentes.
Quando o gás flui do disco de acreção, passa pela ISCO – a parte mais interna do disco de acreção – e entra no próprio buraco negro, ele fica tão quente que emite uma ampla faixa de radiação de raios X de alta energia. Essa luz de raios-X brilha em todas as direções, longe do buraco negro. Podemos ver essa emissão desde a Terra, mas os detalhes da estrutura do disco de acreção se perdem no brilho da glória dos raios-X. (Compreender mais sobre o disco de acréscimo também ajudará os astrofísicos a controlar o ISCO.)
Essa mesma luz de raios-X também ilumina regiões bem fora do disco de acúmulo, regiões dominadas por aglomerados de gás frio. O gás frio é energizado pelos raios X e começa a emitir sua própria luz, em um processo chamado fluorescência. Também podemos detectar essa emissão, separadamente do raio X que emana das regiões mais próximas do buraco negro.
Leva tempo para que a luz viaje para fora da ISCO e parte externa do disco de acreção até o gás frio; se observarmos atentamente, podemos observar inicialmente as regiões centrais (a ISCO e as partes mais internas do disco de acréscimo), logo seguidas pela iluminação de “reverberação” das camadas fora da ISCO e pelo disco de acréscimo imediatamente ao redor.
O tempo e os detalhes da luz reverberada dependem da estrutura do disco de acreção, que os astrônomos usaram anteriormente para estimar a massa dos buracos negros. Neste estudo mais recente, os pesquisadores usaram sofisticadas simulações em computador para ver como o movimento do gás dentro da ISCO – como o gás morre quando finalmente cai em direção ao horizonte de eventos do buraco negro – afeta a emissão de raios-X nas proximidades e no exterior gás.
Eles descobriram que, embora atualmente não tenhamos sensibilidade para medir o gás condenado, a próxima geração de telescópios de raios X deve ser capaz de nos permitir confirmar a existência do ICSO e testar se ele concorda com as previsões gerais. relatividade, talvez nas regiões mais gravitacionalmente extremas de todo o universo.
Publicado em 28/05/2020 09h46
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