Nada pode evocar uma espiral de perspectiva existencial como olhar para a imagem de uma galáxia. À primeira vista, estas estruturas sublimes podem parecer bastante serenas. Mas, na verdade, o centro de muitas galáxias é um ambiente turbulento que contém um buraco negro supermassivo que se alimenta ativamente.
Em órbita destes objetos incompreensivelmente densos estão discos de acreção giratórios de gás e poeira, que alimentam o buraco negro e emitem grandes quantidades de energia ao longo de todo o espectro eletromagnético – desde raios gama e raios X de alta energia, passando pela luz visível, até infravermelho e rádio. ondas.
O estudo dos discos de acreção pode melhorar a compreensão dos astrónomos sobre os buracos negros e a evolução das suas galáxias hospedeiras. A maioria dos discos de acreção, entretanto, é impossível de obter imagens diretas devido às suas distâncias extremas e tamanhos relativamente pequenos. Em vez disso, os astrônomos usam os espectros de luz emitidos de dentro do disco para caracterizar seu tamanho e comportamento.
Usando esta abordagem, os astrônomos usando o telescópio Gemini North, metade do Observatório Internacional Gemini, operado pelo NOIRLab da NSF, fizeram a primeira detecção de duas linhas de emissão no infravermelho próximo no disco de acreção da galáxia III Zw 002, colocando um novo limite para o tamanho destas magníficas estruturas.
Para compreender estas observações, vamos primeiro estabelecer algumas bases, discutindo o que são as linhas de emissão e o que elas nos dizem sobre as regiões em torno dos buracos negros supermassivos.
As linhas de emissão ocorrem quando um átomo em estado excitado cai para um nível de energia mais baixo, liberando luz no processo. Como cada átomo possui um conjunto único de níveis de energia, a luz emitida possui um comprimento de onda discreto que atua como uma impressão digital identificando sua origem. As linhas de emissão geralmente aparecem nos espectros como pontas finas e nítidas.
Mas no vórtice rodopiante de um disco de acreção, onde o gás excitado está sob a influência gravitacional do buraco negro supermassivo e se move a velocidades de milhares de quilómetros por segundo, as linhas de emissão alargam-se em picos mais rasos. A região do disco de acreção onde essas linhas se originam é chamada de região da linha larga.
Como afirmado anteriormente, os discos de acreção são extremamente difíceis de obter imagens diretas, com apenas duas fontes tendo sido fotografadas graças à alta capacidade de resolução angular do Event Horizon Telescope. Então, salvo o acesso a uma rede global de radiotelescópios, como é que os astrónomos sabem quando um buraco negro supermassivo tem um disco à sua volta? Acontece que a evidência de um disco de acreção pode ser encontrada em um padrão específico de amplas linhas de emissão chamado perfil de pico duplo.
Como o disco está girando, o gás de um lado se afasta do observador, enquanto o gás do outro lado se move em direção ao observador. Esses movimentos relativos esticam e comprimem as linhas de emissão em comprimentos de onda mais longos e mais curtos, respectivamente. O resultado é uma linha ampliada com dois picos distintos, um originando-se de cada lado do disco girando rapidamente.
Estes perfis de pico duplo são um fenómeno raro, uma vez que a sua ocorrência é limitada a fontes que podem ser observadas quase de frente. Nas poucas fontes em que foi observado, o pico duplo foi encontrado nas linhas H-alfa e H-beta – duas linhas de emissão de átomos de hidrogênio que aparecem na faixa de comprimento de onda visível.
Originárias da região interna da região da linha larga perto do buraco negro supermassivo, estas linhas não fornecem nenhuma evidência sobre o tamanho do disco de acreção na sua totalidade. Mas observações recentes no infravermelho próximo revelaram uma região da linha larga externa que nunca tinha sido vista antes.
Denimara Dias dos Santos, Ph.D. estudante do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais no Brasil e autora principal do artigo, em colaboração com Alberto Rodriguez-Ardila, Swayamtrupta Panda e Murilo Marinello, pesquisadores do Laboratório Nacional de Astrofísica no Brasil, fez a primeira detecção inequívoca de dois objetos próximos -perfis de pico duplo infravermelho na região da linha larga de III Zw 002.
A linha Paschen-alfa (hidrogênio) origina-se na região interna da região da linha larga, e a linha O I (oxigênio neutro) origina-se na periferia da região da linha larga, região nunca observada antes. Estes são os primeiros perfis de pico duplo encontrados no infravermelho próximo e surgiram inesperadamente durante observações com o Gemini Near-Infrared Spectrograph (GNIRS).
Observações de 2003 de III Zw 002 no visível revelaram evidências de um disco de acreção, e um estudo de 2012 encontrou resultados semelhantes. Em 2021, Rodriguez-Ardila e sua equipe decidiram complementar essas descobertas com observações no infravermelho próximo usando o GNIRS, que é capaz de observar todo o espectro do infravermelho próximo (800-2500 nanômetros) de uma só vez.
Outros instrumentos exigem que o usuário alterne entre vários filtros para cobrir a mesma faixa, o que pode ser demorado e potencialmente introduzir incerteza à medida que as condições atmosféricas e as calibrações mudam entre as observações.
Como o GNIRS é capaz de fazer observações simultâneas em múltiplas bandas de luz, a equipe conseguiu capturar um único espectro limpo e calibrado de forma consistente, no qual foram revelados vários perfis de pico duplo. “Não sabíamos anteriormente que o III Zw 002 tinha esse perfil de pico duplo, mas quando reduzimos os dados vimos o pico duplo muito claramente”, disse Rodriguez-Ardila. “Na verdade, reduzimos os dados muitas vezes pensando que poderia ser um erro, mas sempre vimos o mesmo resultado emocionante.”
Estas observações não só confirmam a presença teorizada de um disco de acreção, mas também avançam a compreensão dos astrónomos sobre a região da linha larga.
“Pela primeira vez, a detecção de tais perfis de pico duplo impõe restrições firmes à geometria de uma região que de outra forma não seria possível resolver”, disse Rodriguez-Ardila. “E agora temos evidências claras do processo de alimentação e da estrutura interna de uma galáxia ativa”.
Ao comparar estas observações com modelos de disco existentes, a equipa conseguiu extrair parâmetros que fornecem uma imagem mais clara do buraco negro supermassivo e da região da linha larga do III Zw 002.
O modelo indica que a linha Paschen-alfa se origina em um raio de 16,77 dias-luz (a distância que a luz percorre em um dia terrestre medida a partir do buraco negro supermassivo), e a linha O I se origina em um raio de 18,86 dias-luz. Também prevê que o raio externo da região da linha larga é de 52,43 dias-luz. O modelo também indica que a região da linha larga do III Zw 002 tem um ângulo de inclinação de 18 graus em relação aos observadores na Terra, e o buraco negro supermassivo no seu centro tem 400-900 milhões de vezes a massa do nosso Sol.
“Esta descoberta dá-nos informações valiosas sobre a estrutura e o comportamento da região da linha larga nesta galáxia em particular, lançando luz sobre os fenómenos fascinantes que acontecem em torno de buracos negros supermassivos em galáxias ativas,” disse Rodriguez-Ardila.
Após esta descoberta, Dias dos Santos, Rodriguez-Ardila, Panda e Marinello estão agora a monitorizar III Zw 002, uma vez que se espera que o seu disco de acreção siga um padrão de precessão em torno do buraco negro supermassivo. Eles querem ver como os perfis das linhas mudam com o tempo, uma vez que a precessão causa intensidades diferentes nos picos azuis e vermelhos. Até agora, o modelo permanece consistente com as suas observações. Esses resultados também abrem a possibilidade de usar a detecção no infravermelho próximo para estudar outros AGNs.
Publicado em 29/08/2023 03h15
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