Os Mistérios dos Jatos dos Buracos Negros

Os buracos negros são famosos por serem comedores vorazes, mas eles não comem tudo o que cai em sua direção. Uma pequena porção de material é recuperada em potentes jatos de gás quente, chamados de plasma, que podem causar estragos em seus arredores. Ao longo do caminho, este plasma de alguma forma fica energizado o suficiente para irradiar fortemente a luz, formando duas colunas brilhantes ao longo do eixo de rotação do buraco negro. Os cientistas há muito discutem onde e como isso acontece.

Os astrônomos têm novas pistas para esse mistério. Usando o telescópio espacial NuSTAR da NASA e uma câmera rápida chamada ULTRACAM no Observatório William Herschel em La Palma, Espanha, os cientistas conseguiram medir a distância que as partículas dos jatos viajam antes de "ligar" e se tornarem fontes brilhantes de luz. Essa distância é chamada de zona de aceleração. O estudo foi publicado na revista Nature Astronomy.

Cientistas analisaram dois sistemas na Via Láctea chamados de binários de raios-X, cada um consistindo de um buraco negro alimentando-se de uma estrela normal. Eles estudaram esses sistemas em diferentes pontos durante os períodos de explosão - que é quando o disco de acréscimo - uma estrutura plana de material orbitando o buraco negro - se acende devido ao fato de o material cair nele (no disco).

Um sistema, chamado V404 Cygni, atingiu quase o pico de brilho quando os cientistas o observaram em junho de 2015. Naquela época, experimentou a explosão mais brilhante de um binário de raios-X visto no século XXI. O outro, chamado GX 339-4, foi inferior a 1 por cento do seu brilho máximo esperado quando observado. A estrela e o buraco negro do GX 339-4 estão muito mais próximos do que o sistema V404 Cygni.

Apesar de suas diferenças, os sistemas mostraram atrasos de tempo semelhantes - cerca de um décimo de segundo - entre quando o NuSTAR detectou a luz de raios X e o ULTRACAM detectou a luz visível um pouco mais tarde. Esse atraso é menos que um piscar de olhos, mas significativo para a física de jatos de buracos negros.

"Uma possibilidade é que a física do jato não é determinada pelo tamanho do disco, mas sim pela velocidade, temperatura e outras propriedades das partículas na base do jato", disse Poshak Gandhi, autor principal do estudo e astrônomo da Universidade de Southampton, Reino Unido.

A melhor teoria que os cientistas têm para explicar esses resultados é que a luz de raios-X é originária de material muito próximo ao buraco negro. Campos magnéticos fortes impulsionam parte deste material a altas velocidades ao longo do jato. Isso resulta em partículas colidindo perto da velocidade da luz, energizando o plasma até que ele comece a emitir a corrente de radiação óptica capturada pela ULTRACAM.

Onde isso ocorre no jato? O atraso medido entre luz óptica e raios-X explica isso. Ao multiplicar essa quantidade de tempo pela velocidade das partículas, que é quase a velocidade da luz, os cientistas determinam a distância máxima percorrida.

Esta extensão de cerca de 30.000 km representa a zona de aceleração interna no jato, onde o plasma sente a aceleração mais forte e "liga" ao emitir luz. Isso é pouco menos de três vezes o diâmetro da Terra, mas minúsculo em termos cósmicos, especialmente considerando o buraco negro de V404 Cygni que pesa até 3 milhões de Terras.

"Os astrônomos esperam refinar modelos para mecanismos de alimentação de jato usando os resultados deste estudo", disse Daniel Stern, co-autor e astrônomo baseado no Jet Propulsion Laboratory da NASA, Pasadena, Califórnia.

Fazer essas medidas não foi fácil. Os telescópios de raios-X no espaço e os telescópios ópticos no chão têm que olhar para os binários de raios X exatamente ao mesmo tempo durante explosões para os cientistas calcular o pequeno atraso entre as detecções dos telescópios. Essa coordenação requer um planejamento complexo entre as equipes dos observatórios. Na verdade, a coordenação entre o NuSTAR e a ULTRACAM só foi possível por cerca de uma hora durante a explosão de 2015, mas isso foi suficiente para calcular os resultados inovadores sobre a zona de aceleração.

Os resultados também parecem se conectar com a compreensão dos cientistas dos buracos negros supermassivos, muito maiores do que aqueles neste estudo. Em um sistema supermassivo chamado BL Lacertae, que pesa 200 milhões de vezes a massa do nosso sol, os cientistas inferiram atrasos no tempo, milhões de vezes maiores que o que esse estudo encontrou. Isso significa que o tamanho da área de aceleração dos jatos provavelmente está relacionado à massa do buraco negro.

"Estamos entusiasmados porque parece que encontramos um critério característico relacionado ao funcionamento interno dos jatos, não apenas em buracos negros de massa estelar como V404 Cygni, mas também em monstros supermassivos", disse Gandhi.

Os próximos passos são para confirmar este atraso medido em observações de outros binários de raios-X, e para desenvolver uma teoria para corelacionar jatos com buracos negros de todos os tamanhos.

"Os telescópios baseados em terra e espaciais, trabalhando juntos, foram fundamentais para esta descoberta. Mas isso é apenas uma espiada, e ainda há muito a ser aprendido. O futuro é realmente brilhante para entender a física extrema dos buracos negros", disse Fiona Harrison, principal investigadora da NuSTAR e professora de astronomia em Caltech, Pasadena.

Fonte: NASA