Bilhões de anos atrás, no centro de um aglomerado de galáxias muito, muito longe, um buraco negro expeliu jatos de plasma. Quando o plasma saiu do buraco negro, empurrou o material, criando duas grandes cavidades a 180 graus um do outro. Da mesma forma, você pode calcular a energia de um impacto de asteróide pelo tamanho de sua cratera, Michael Calzadilla, estudante de graduação do Instituto de Astrofísica e Pesquisa Espacial (MKI) do MIT Kavli, usou o tamanho dessas cavidades para descobrir a poder da explosão do buraco negro.
Em um artigo recente no Astrophysical Journal Letters, Calzadilla e seus co-autores descrevem a explosão no aglomerado de galáxias SPT-CLJ0528-5300, ou SPT-0528, para abreviar. Combinando o volume e a pressão do gás deslocado com a idade das duas cavidades, eles foram capazes de calcular a energia total da explosão. Com mais de 1054 joules de energia, uma força equivalente a cerca de 1038 bombas nucleares, esta é a explosão mais poderosa relatada em um aglomerado de galáxias distantes. Os co-autores do artigo incluem o cientista da MKI Matthew Bayliss e o professor assistente de física Michael McDonald.
O universo é pontilhado de aglomerados de galáxias, coleções de centenas e até milhares de galáxias permeadas de gás quente e matéria escura. No centro de cada aglomerado, há um buraco negro, que passa por períodos de alimentação, onde devora o plasma do aglomerado, seguido de períodos de explosão explosiva, onde dispara jatos de plasma quando atinge seu preenchimento. “Este é um caso extremo da fase de explosão”, diz Calzadilla sobre a observação do SPT-0528. Embora a explosão tenha acontecido bilhões de anos atrás, antes que nosso sistema solar se formasse, levou cerca de 6,7 bilhões de anos para que a luz do aglomerado de galáxias viajasse até Chandra, o observatório de emissões de raios-X da NASA que orbita a Terra.
Como os aglomerados de galáxias estão cheios de gás, as primeiras teorias sobre eles previram que, à medida que o gás esfriasse, os aglomerados veriam altas taxas de formação de estrelas, que precisam de gás frio para se formar. No entanto, esses aglomerados não são tão legais quanto o previsto e, como tal, não estavam produzindo novas estrelas na taxa esperada. Algo estava impedindo que o gás esfriasse completamente. Os culpados eram buracos negros supermassivos, cujas explosões de plasma mantêm o gás nos aglomerados de galáxias muito quente para a rápida formação de estrelas.
A explosão registrada no SPT-0528 tem outra peculiaridade que a diferencia de outras explosões de buracos negros. É desnecessariamente grande. Os astrônomos pensam no processo de resfriamento de gás e liberação de gás quente dos buracos negros como um equilíbrio que mantém a temperatura no aglomerado de galáxias – que gira em torno de 18 milhões de graus Fahrenheit – estável. “É como um termostato”, diz McDonald. A explosão no SPT-0528, no entanto, não está em equilíbrio.
De acordo com Calzadilla, se você observar quanta energia é liberada quando o gás esfria no buraco negro versus quanta energia está contida na explosão, a explosão está exagerando bastante. Na analogia do McDonald’s, a explosão no SPT-0528 é um termostato com defeito. “É como se você esfriasse o ar em 2 graus e a resposta do termostato fosse aquecer a sala em 100 graus”, explica McDonald.
No início de 2019, McDonald e colegas divulgaram um artigo analisando um aglomerado de galáxias diferente, que exibe um comportamento completamente oposto ao do SPT-0528. Em vez de uma explosão desnecessariamente violenta, o buraco negro neste aglomerado, apelidado de Phoenix, não é capaz de impedir o resfriamento do gás. Ao contrário de todos os outros aglomerados de galáxias conhecidos, o Phoenix está cheio de viveiros de estrelas jovens, o que o diferencia da maioria dos aglomerados de galáxias.
“Com esses dois aglomerados de galáxias, estamos realmente analisando os limites do que é possível nos dois extremos”, diz McDonald sobre o SPT-0528 e Phoenix. Ele e Calzadilla também caracterizarão os aglomerados de galáxias mais normais, a fim de entender a evolução dos aglomerados de galáxias ao longo do tempo cósmico. Para explorar isso, Calzadilla está caracterizando 100 aglomerados de galáxias.
A razão para caracterizar uma coleção tão grande de aglomerados de galáxias é porque cada imagem do telescópio está capturando os aglomerados em um momento específico no tempo, enquanto seus comportamentos estão acontecendo ao longo do tempo cósmico. Esses aglomerados cobrem uma variedade de distâncias e idades, permitindo que Calzadilla investigue como as propriedades dos aglomerados mudam ao longo do tempo cósmico. “Essas são escalas de tempo muito maiores que uma escala humana ou o que podemos observar”, explica Calzadilla.
A pesquisa é semelhante à de um paleontologista tentando reconstruir a evolução de um animal a partir de um registro fóssil esparso. Mas, em vez de ossos, Calzadilla está estudando aglomerados de galáxias, variando de SPT-0528 com sua violenta explosão de plasma em uma extremidade a Phoenix com seu rápido resfriamento na outra. “Você está vendo diferentes instantâneos com o tempo”, diz Calzadilla. “Se você criar amostras grandes o suficiente de cada um desses instantâneos, poderá ter uma noção de como um aglomerado de galáxias evolui.”
Publicado em 24/12/2019
Artigos originais:
- https://phys.org/news/2019-12-astronomers-violent-black-hole-outburst.html
- http://news.mit.edu/2019/billion-year-belch-galaxy-cluster-evolution-1223
Estudos originais:
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