Espalhados por nossa galáxia Via Láctea estão dezenas de milhões de buracos negros – poços gravitacionais imensamente fortes do espaço-tempo, dos quais a matéria em queda, e até mesmo a luz, nunca podem escapar. Os buracos negros são escuros por definição, exceto nas raras ocasiões em que se alimentam. À medida que um buraco negro puxa gás e poeira de uma estrela em órbita, ele pode emitir rajadas espetaculares de luz de raios-X que refletem e ecoam no gás inspirador, iluminando brevemente os arredores extremos de um buraco negro.
Agora, os astrônomos do MIT estão procurando por flashes e ecos de binários de raios-X de buracos negros próximos – sistemas com uma estrela orbitando e, ocasionalmente, sendo devorados por um buraco negro. Eles estão analisando os ecos de tais sistemas para reconstruir a vizinhança imediata e extrema de um buraco negro.
Em um estudo publicado hoje no The Astrophysical Journal, os pesquisadores relatam o uso de uma nova ferramenta de busca automatizada, que eles chamaram de “Máquina de Reverberação”, para vasculhar dados de satélite em busca de sinais de ecos de buracos negros. Em sua busca, eles descobriram oito novos binários de buracos negros ecoando em nossa galáxia. Anteriormente, apenas dois desses sistemas na Via Láctea eram conhecidos por emitir ecos de raios-X.
Ao comparar os ecos entre os sistemas, a equipe reuniu uma imagem geral de como um buraco negro evolui durante uma explosão. Em todos os sistemas, eles observaram que um buraco negro primeiro passa por um estado “duro”, provocando uma coroa de fótons de alta energia junto com um jato de partículas relativísticas que é lançado perto da velocidade da luz. Os pesquisadores descobriram que, em um certo ponto, o buraco negro emite um flash final de alta energia, antes de fazer a transição para um estado “suave” de baixa energia.
Este flash final pode ser um sinal de que a coroa de um buraco negro, a região do plasma de alta energia fora do limite de um buraco negro, se expande brevemente, ejetando uma explosão final de partículas de alta energia antes de desaparecer completamente. Essas descobertas podem ajudar a explicar como buracos negros maiores e supermassivos no centro de uma galáxia podem ejetar partículas em escalas vastamente cósmicas para moldar a formação de uma galáxia.
“O papel dos buracos negros na evolução das galáxias é uma questão pendente na astrofísica moderna”, diz Erin Kara, professora assistente de física no MIT. “Curiosamente, esses binários de buracos negros parecem ser ‘mini’ buracos negros supermassivos e, portanto, entendendo as explosões nesses pequenos sistemas próximos, podemos entender como explosões semelhantes em buracos negros supermassivos afetam as galáxias em que residem.”
O primeiro autor do estudo é Jingyi Wang, estudante de pós-graduação do MIT; outros coautores incluem Matteo Lucchini e Ron Remillard no MIT, juntamente com colaboradores do Caltech e de outras instituições.
Atrasos de raios-X
Kara e seus colegas estão usando ecos de raios-X para mapear a vizinhança de um buraco negro, da mesma forma que os morcegos usam ecos sonoros para navegar em seus arredores. Quando um morcego emite uma chamada, o som pode ricochetear em um obstáculo e retornar ao morcego como um eco. O tempo que leva para o eco retornar é relativo à distância entre o morcego e o obstáculo, dando ao animal um mapa mental de seu entorno.
De forma semelhante, a equipe do MIT está procurando mapear a vizinhança imediata de um buraco negro usando ecos de raios-X. Os ecos representam atrasos de tempo entre dois tipos de luz de raios-X: a luz emitida diretamente da coroa e a luz da coroa que reflete no disco de acreção de gás e poeira inspiradores.
O tempo em que um telescópio recebe a luz da coroa, comparado com quando recebe os ecos de raios-X, dá uma estimativa da distância entre a coroa e o disco de acreção. Observar como esses atrasos mudam pode revelar como a coroa e o disco de um buraco negro evoluem à medida que o buraco negro consome material estelar.
Evolução do eco
Em seu novo estudo, a equipe desenvolveu um algoritmo de busca para vasculhar os dados obtidos pela estrela de nêutrons Interior Composition Explorer da NASA, ou NICER, um telescópio de raios-X de alta resolução a bordo da Estação Espacial Internacional. O algoritmo escolheu 26 sistemas binários de raios-X de buracos negros que anteriormente eram conhecidos por emitir explosões de raios-X. Destes 26, a equipe descobriu que 10 sistemas estavam próximos e brilhantes o suficiente para que pudessem discernir ecos de raios-X em meio às explosões. Oito dos 10 não eram conhecidos anteriormente por emitir ecos.
“Vemos novas assinaturas de reverberação em oito fontes”, diz Wang. “Os buracos negros variam em massa de cinco a 15 vezes a massa do Sol, e estão todos em sistemas binários com estrelas normais, de baixa massa e parecidas com o Sol.”
Como um projeto paralelo, Kara está trabalhando com os estudiosos de educação e música do MIT, Kyle Keane e Ian Condry, para converter a emissão de um típico eco de raios-X em ondas sonoras audíveis.
Os pesquisadores então executaram o algoritmo nos 10 binários de buracos negros e dividiram os dados em grupos com “características de tempo espectrais” semelhantes, ou seja, atrasos semelhantes entre raios-X de alta energia e ecos reprocessados. Isso ajudou a rastrear rapidamente a mudança nos ecos de raios-X em todos os estágios durante a explosão de um buraco negro.
A equipe identificou uma evolução comum em todos os sistemas. No estado “duro” inicial, em que uma coroa e um jato de partículas de alta energia dominam a energia do buraco negro, eles detectaram atrasos de tempo curtos e rápidos, da ordem de milissegundos. Este estado duro dura várias semanas. Então, ocorre uma transição ao longo de vários dias, na qual a coroa e o jato crepitam e morrem, e um estado suave assume, dominado por raios-X de baixa energia do disco de acreção do buraco negro.
Durante esse estado de transição difícil para suave, a equipe descobriu que os atrasos de tempo aumentaram momentaneamente em todos os 10 sistemas, o que implica que a distância entre a coroa e o disco também aumentou. Uma explicação é que a coroa pode se expandir brevemente para fora e para cima, em uma última explosão de alta energia antes que o buraco negro termine a maior parte de sua refeição estelar e fique quieto.
“Estamos no início de poder usar esses ecos de luz para reconstruir os ambientes mais próximos do buraco negro”, diz Kara. “Agora mostramos que esses ecos são comumente observados e somos capazes de sondar as conexões entre o disco, o jato e a coroa de um buraco negro de uma nova maneira”.
Publicado em 05/05/2022 09h10
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