O universo está cheio de poderosos buracos negros supermassivos que criam poderosos jatos de partículas de alta energia, criando fontes de brilho extremo na vastidão do espaço. Quando um desses jatos aponta diretamente para a Terra, os cientistas chamam o sistema de buraco negro de blazar.
Para entender por que as partículas no jato se movem com grandes velocidades e energias, os cientistas olham para o IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer) da NASA, lançado em dezembro de 2021. O IXPE mede uma propriedade especial da luz de raios-X chamada polarização, que tem a ver com a organização de ondas eletromagnéticas na frequência de raios-X.
Esta semana, uma equipe internacional de astrofísicos publicou novas descobertas do IXPE sobre um blazar chamado Markarian 421. Esse blazar, localizado na constelação da Ursa Maior, a cerca de 400 milhões de anos-luz da Terra, surpreendeu os cientistas com evidências de que na parte do jato onde as partículas estão sendo aceleradas, o campo magnético tem uma estrutura helicoidal.
“Markarian 421 é um velho amigo dos astrônomos de alta energia”, disse a astrofísica da Agência Espacial Italiana Laura Di Gesu, principal autora do novo artigo. “Tínhamos certeza de que o blazar seria um alvo valioso para o IXPE, mas suas descobertas foram além de nossas melhores expectativas, demonstrando com sucesso como a polarimetria de raios-X enriquece nossa capacidade de sondar a complexa geometria do campo magnético e a aceleração de partículas em diferentes regiões de jatos relativísticos.”
O novo estudo detalhando as descobertas da equipe IXPE sobre o Markarian 421 está disponível na última edição da Nature Astronomy.
Jatos como o que sai do Markarian 421 podem se estender por milhões de anos-luz de comprimento. Eles são especialmente brilhantes porque, à medida que as partículas se aproximam da velocidade da luz, elas emitem uma quantidade enorme de energia e se comportam de maneiras estranhas que Einstein previu. Os jatos Blazar são extremamente brilhantes porque, assim como uma sirene de ambulância soa mais alto quando se aproxima, a luz apontada para nós também parece mais brilhante. É por isso que os blazares podem ofuscar todas as estrelas das galáxias que habitam.
Apesar de décadas de estudo, os cientistas ainda não compreendem totalmente os processos físicos que moldam a dinâmica e a emissão dos jatos blazar. Mas a inovadora polarimetria de raios-X do IXPE – que mede a direção média do campo elétrico das ondas de luz – dá a eles uma visão sem precedentes desses alvos, sua geometria física e a origem de suas emissões.
Os modelos de pesquisa para a saída típica dos jatos poderosos normalmente retratam uma estrutura em espiral em espiral, semelhante à forma como o DNA humano é organizado. Mas os cientistas não esperavam que a estrutura da hélice contivesse regiões de partículas sendo aceleradas por choques.
O IXPE encontrou uma variabilidade surpreendente no ângulo de polarização durante três observações prolongadas de Markarian 421 em maio e junho de 2022.
“Tínhamos previsto que a direção da polarização poderia mudar, mas pensávamos que grandes rotações seriam raras, com base em observações ópticas anteriores de muitos blazars”, disse Herman Marshall, físico pesquisador do Instituto de Tecnologia de Massachusetts em Cambridge e coautor do artigo. “Então, planejamos várias observações do blazar, com a primeira mostrando uma polarização constante de 15%.”
Notavelmente, ele acrescentou, a análise inicial dos dados de polarização do IXPE parece mostrar que caiu para zero entre a primeira e a segunda observação.
“Depois, reconhecemos que a polarização era praticamente a mesma, mas sua direção literalmente deu meia-volta, girando quase 180 graus em dois dias”, disse Marshall. “Ele então nos surpreendeu novamente durante a terceira observação, que começou um dia depois, ao observar a direção da polarização continuando a girar na mesma taxa”.
Ainda mais estranho foi que as medições simultâneas ópticas, infravermelhas e de rádio não mostraram nenhuma mudança na estabilidade ou estrutura – mesmo quando as emissões de raios X polarizados se desviaram. Isso significa que uma onda de choque pode estar se propagando ao longo de campos magnéticos em espiral dentro do jato.
O conceito de uma onda de choque acelerando as partículas do jato é consistente com as teorias sobre Markarian 501, um segundo blazar observado pelo IXPE que levou a um estudo publicado no final de 2022. Mas seu primo Markarian 421 mostra evidências mais claras de um campo magnético helicoidal contribuindo para o choque.
Di Gesu, Marshall e seus colegas estão ansiosos para realizar novas observações de Markarian 421 e outros blazars para aprender mais sobre essas flutuações de jato e com que frequência elas ocorrem.
“Graças ao IXPE, é um momento emocionante para estudos de jatos astrofísicos”, disse Di Gesu.
O IXPE é uma colaboração entre a NASA e a Agência Espacial Italiana com parceiros e colaboradores científicos em 12 países. O IXPE é liderado pelo Marshall Space Flight Center da NASA em Huntsville, Alabama. A Ball Aerospace, com sede em Broomfield, Colorado, gerencia as operações de espaçonaves junto com o Laboratório de Física Atmosférica e Espacial da Universidade do Colorado em Boulder. As observações do IXPE de Markarian 421 foram complementadas com dados coletados por observatórios parceiros nos Estados Unidos e na França, Japão, Espanha e Creta.
Publicado em 25/07/2023 11h09
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