A concepção popular diz que nada pode escapar de um buraco negro. Uma vez que algo passa pelo horizonte de eventos – o chamado ponto sem volta – ele fica lá, para sempre, limitado por um campo gravitacional que nem mesmo a luz consegue escapar.
Mas um buraco negro em rotação gera uma grande quantidade de energia que, teoricamente, pode ser extraída da ergosfera, uma região que fica fora do horizonte de eventos. Isso foi demonstrado tanto teórica quanto experimentalmente – e agora uma equipe de astrofísicos encontrou o que eles acreditam ser uma evidência observacional para isso.
A arma fumegante é a explosão de raios gama mais poderosa que já detectamos, GRB 190114C, um flare colossal com clock de cerca de um trilhão de elétron-volts (1 TeV), de 4,5 bilhões de anos-luz de distância.
“Explosões de raios gama, os objetos transitórios mais poderosos no céu, liberam energias de até 1054 erg em apenas alguns segundos”, disse o astrofísico Remo Ruffini do Centro Internacional para Rede de Astrofísica Relativística (ICRANet), com sede na Itália.
“Sua luminosidade nos raios gama, no intervalo de tempo do evento, é tão grande quanto a luminosidade de todas as estrelas do Universo observável! Acredita-se que as explosões de raios gama sejam alimentadas por um mecanismo desconhecido, por buracos negros de massa estelar. ”
No ano passado, Ruffini e seus colegas descobriram uma solução para esse mecanismo – um processo que eles chamaram de hipernova orientada por binário.
Ele começa com um sistema binário próximo que consiste em uma estrela de carbono-oxigênio no final de sua vida e uma estrela de nêutrons. Quando a estrela de carbono-oxigênio se transforma em supernova, o material ejetado pode ser rapidamente sugado pela estrela de nêutrons companheira. Assim, esse companheiro passa do ponto de massa crítica e colapsa em um buraco negro, que lança uma explosão de raios gama, bem como jatos de material de seus pólos quase à velocidade da luz.
(O núcleo da estrela de carbono-oxigênio colapsa em uma segunda estrela de nêutrons, resultando em um buraco negro-estrela binária de nêutrons.)
Agora, em um novo artigo, Ruffini e seus colegas liderados por Rahim Moradi do ICRANet descreveram o mecanismo que pode lançar uma explosão de raios gama de alta energia: a aceleração de partículas ao longo de linhas de campo magnético herdadas da estrela de nêutrons pai do buraco negro. Esse campo magnético extrai energia rotacional da ergosfera do buraco negro.
“O novo motor apresentado na nova publicação”, explicou Ruffini, “faz o trabalho por meio de um processo puramente relativístico geral, gravito-eletrodinâmico: um buraco negro em rotação, interagindo com um campo magnético circundante, cria um campo elétrico que acelera os elétrons ambientais para energias ultra-altas levando a radiação de alta energia e raios cósmicos de energia ultra-alta. ”
Jatos relativísticos, ou próximos à velocidade da luz, não são incomuns em núcleos galácticos ativos, os monstros buracos negros supermassivos no centro das galáxias. Acredita-se que esses jatos se formem a partir do processo de acreção, que ocorre da seguinte maneira.
Um enorme disco de material gira em torno do buraco negro ativo, caindo nele a partir da borda interna, mas nem todo esse material cai no buraco negro. Parte dela, acreditam os astrônomos, é canalizada e acelerada ao longo das linhas do campo magnético ao redor do buraco negro até os pólos, onde é lançada no espaço na forma de jatos colimados.
Sabemos que buracos negros e estrelas de nêutrons podem ter campos magnéticos poderosos, e as evidências sugerem que eles podem atuar como um síncrotron (um tipo de acelerador de partículas). As evidências também sugerem que um síncrotron de campo magnético desempenha um papel no lançamento de uma explosão de raios gama durante a formação de um buraco negro.
Estudando GRB 190114C, Moradi e sua equipe encontraram um mecanismo semelhante – mas, em vez de um processo de emissão contínua, é discreto, repetindo-se continuamente, liberando cada vez um quantum de energia do buraco negro para produzir a emissão de raios gama observada após o explosão de raios gama.
Com base nas observações do GRB 190114C, a equipe foi capaz de reconstruir a sequência de eventos.
A estrela de carbono-oxigênio se transforma em supernova, enquanto o núcleo colapsa em uma estrela de nêutrons; parte desse material ejetado cai de volta na estrela de nêutrons recém-formada, produzindo um brilho de raios-X – conforme observado pelo telescópio Swift.
Parte do material também cai sobre a estrela de nêutrons, empurrando-a além do limite de massa para formar um buraco negro – esse processo teria sido suave, levando apenas 1,99 segundo. Em seguida, o material continua a cair no buraco negro recém-formado, produzindo uma explosão de raios gama de 1,99 a 3,99 segundos.
Finalmente, mais material caindo no buraco negro resulta na formação de jatos e radiação gama na faixa de gigaeletronvolt, a partir da extração de energia rotacional.
Outros cientistas podem discordar das descobertas; uma equipe descobriu no ano passado que a explosão de raios gama era o resultado de um campo magnético em colapso, por exemplo. Pode nem mesmo se aplicar a todas as explosões de raios gama. No entanto, todas as partes parecem se adequar perfeitamente às observações do GRB 190114C.
“A prova de que podemos usar a energia rotacional extraível de um buraco negro para explicar as emissões de alta energia de explosões de raios gama e núcleos galácticos ativos está por si só”, disse Ruffini.
“Uma longa marcha de sucessivos progressos teóricos e novas descobertas físicas usando observações de GRBs trouxeram esse resultado que era [esperado] há cerca de 50 anos da astrofísica relativística.”
Publicado em 31/05/2021 19h49
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