Tamanho do buraco negro revelado por seu padrão alimentar

Impressão artística de um disco de acreção girando em torno de um buraco negro supermassivo invisível. O processo de acreção produz flutuações aleatórias na luminosidade do disco ao longo do tempo, um padrão relacionado à massa do buraco negro em um novo estudo conduzido por pesquisadores da Universidade de Illinois Urbana-Champaign. Crédito: Mark A. Garlick / Simons Foundation

Os padrões de alimentação dos buracos negros oferecem uma visão de seu tamanho, relatam os pesquisadores. Um novo estudo revelou que a oscilação do brilho observada em buracos negros supermassivos que se alimentam ativamente está relacionada à sua massa.

Os buracos negros supermassivos são milhões a bilhões de vezes mais massivos do que o Sol e geralmente residem no centro de galáxias massivas. Quando dormentes e não se alimentando do gás e das estrelas ao seu redor, as SMBHs emitem muito pouca luz; a única maneira que os astrônomos podem detectá-los é por meio de suas influências gravitacionais nas estrelas e no gás em sua vizinhança. No entanto, no início do universo, quando os SMBHs estavam crescendo rapidamente, eles estavam ativamente alimentando – ou agregando – materiais em taxas intensivas e emitindo uma enorme quantidade de radiação – às vezes ofuscando toda a galáxia em que residem, disseram os pesquisadores.

O novo estudo, liderado pelo estudante de graduação em astronomia da Universidade de Illinois Urbana-Champaign, Colin Burke, e o professor Yue Shen, descobriu uma relação definitiva entre a massa de SMBHs que se alimentam ativamente e a escala de tempo característica no padrão de luz intermitente. Os resultados foram publicados na revista Science.

A luz observada de um SMBH de acréscimo não é constante. Devido a processos físicos que ainda não são compreendidos, ele exibe uma oscilação onipresente em escalas de tempo que variam de horas a décadas. “Existem muitos estudos que exploram possíveis relações entre a cintilação observada e a massa da SMBH, mas os resultados têm sido inconclusivos e às vezes controversos”, disse Burke.

A equipe compilou um grande conjunto de dados de SMBHs de alimentação ativa para estudar o padrão de variabilidade de oscilação. Eles identificaram uma escala de tempo característica, ao longo da qual o padrão muda, que se correlaciona estreitamente com a massa do SMBH. Os pesquisadores então compararam os resultados com anãs brancas de acréscimo, os restos de estrelas como o nosso sol, e descobriram que a mesma relação escala de tempo-massa se mantém, embora as anãs brancas sejam milhões a bilhões de vezes menos massivas do que SMBHs.

Diagrama explicativo – Quando os buracos negros se alinham. Crédito: Lucy Reading-Ikkanda / Simons Foundation

As oscilações da luz são flutuações aleatórias no processo de alimentação de um buraco negro, disseram os pesquisadores. Os astrônomos podem quantificar esse padrão de oscilação medindo o poder da variabilidade em função das escalas de tempo. Para o acréscimo de SMBHs, o padrão de variabilidade muda de escalas de tempo curtas para escalas de tempo longas. Esta transição do padrão de variabilidade acontece em uma escala de tempo característica que é mais longa para buracos negros mais massivos.

A equipe comparou a alimentação em um buraco negro com nossa atividade de comer ou beber, equiparando essa transição a um arroto humano. Os bebês freqüentemente arrotam enquanto bebem leite, enquanto os adultos podem segurar o arroto por mais tempo. Os buracos negros fazem a mesma coisa enquanto se alimentam, eles disseram.

“Esses resultados sugerem que os processos que conduzem a oscilação durante o acréscimo são universais, seja o objeto central um buraco negro supermassivo ou uma anã branca muito mais leve”, disse Shen.

“O firme estabelecimento de uma conexão entre a oscilação da luz observada e as propriedades fundamentais do agregador certamente nos ajudará a entender melhor os processos de acréscimo”, disse Yan-Fei Jiang, pesquisador do Flatiron Institute e coautor do estudo.

Os buracos negros astrofísicos vêm em um amplo espectro de massa e tamanho. Entre a população de buracos negros de massa estelar, que pesam menos de várias dezenas de vezes a massa do sol, e SMBHs, há uma população de buracos negros chamados buracos negros de massa intermediária que pesam entre cerca de 100 e 100.000 vezes o massa do sol.

Os pesquisadores descobriram uma relação definitiva entre a massa dos buracos negros supermassivos (SMBHs) e seus padrões de cintilação de luz. Esta relação codifica informações críticas sobre processos de acréscimo e pode ser usada para ajudar a localizar buracos negros de tamanho médio indescritíveis. Crédito: Mark A. Garlick / Simons Foundation

Espera-se que os IMBHs se formem em grande número ao longo da história do universo e podem fornecer as sementes necessárias para se transformarem em SMBHs mais tarde. No entanto, observacionalmente, essa população de IMBHs é surpreendentemente elusiva. Existe apenas um IMBH indiscutivelmente confirmado que pesa cerca de 150 vezes a massa do sol. Mas aquele IMBH foi descoberto por acaso pela radiação da onda gravitacional da coalescência de dois buracos negros menos massivos.

“Agora que há uma correlação entre o padrão de oscilação e a massa do objeto de acreção central, podemos usá-lo para prever como pode ser o sinal de oscilação de um IMBH”, disse Burke.

Astrônomos de todo o mundo estão esperando pelo início oficial de uma era de pesquisas massivas que monitoram o céu dinâmico e variável. O Observatório Vera C. Rubin no Legacy Survey of Space and Time do Chile fará um levantamento do céu ao longo de uma década e coletará dados cintilantes de luz para bilhões de objetos, começando no final de 2023.

“A mineração do conjunto de dados LSST para procurar padrões de oscilação consistentes com o acúmulo de IMBHs tem o potencial de descobrir e compreender totalmente essa população misteriosa de buracos negros há muito procurada”, disse o co-autor Xin Liu, professor de astronomia da Universidade de Washington. de I.

Este estudo é uma colaboração com o professor de astronomia e física Charles Gammie e o pesquisador de pós-doutorado em astronomia Qian Yang, do Centro de Estudos Avançados do Universo de Illinois, e pesquisadores da Universidade da Califórnia, Santa Bárbara; a Universidade de St. Andrews, Reino Unido; o Instituto Flatiron; a Universidade de Southampton, Reino Unido; a Academia Naval dos Estados Unidos; e a Universidade de Durham, Reino Unido

Burke, Shen e Liu também são afiliados ao Center for Astrophysical Surveys do National Center for Supercomputing Applications em Illinois.


Publicado em 15/08/2021 15h11

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