Cientistas Detectam Ecos de Rádio de um Buraco Negro se Alimentando de uma Estrela

Impressão artística de um fluxo de acreção interna e um jato de um buraco negro supermassivo quando ele está ativamente se alimentando.

Em 11 de novembro de 2014, uma rede global de telescópios pegou sinais de 300 milhões de anos-luz de distância que foram criados por uma erupção de ruptura de maré - uma explosão de energia eletromagnética que ocorre quando um buraco negro rasga uma estrela que passa próximo. Desde essa descoberta, os astrônomos usaram outros telescópios neste evento muito raro para aprender mais sobre como os buracos negros devoram a matéria e regulam o crescimento das galáxias.
Cientistas do MIT e da Universidade Johns Hopkins detectaram sinais de rádio do evento que combinam muito com as emissões de raios-X produzidas a partir da mesma erupção 13 dias antes. Eles acreditam que esses "ecos" de rádio, que são mais de 90% parecidos com as emissões de raios-X do evento, são mais do que uma coincidência passageira. Em vez disso, eles parecem ser evidências de um jato gigante de partículas altamente energéticas que se deslocam do buraco negro à medida que o material estelar está caindo no buraco negro.
Dheeraj Pasham, um pós-doutorado no Instituto Kavli para Astrofísica e Pesquisa Espacial do MIT, diz que os padrões altamente semelhantes sugerem que o poder do jato que sai do buraco negro é de alguma forma controlado pela taxa em que o buraco negro está se alimentando da estrela despedaçada .
"Isso está nos dizendo que a taxa de alimentação do buraco negro está controlando a força do jato que ele produz", diz Pasham. "Um buraco negro bem alimentado produz um jato forte, enquanto um buraco negro desnutrido produz um jato fraco ou nenhum jato. Esta é a primeira vez que vemos um jato que é controlado por um buraco negro supermassivo se alimentando".
Pasham diz que os cientistas suspeitavam que os jatos do buraco negro eram alimentados por sua taxa de acréscimo de matéria, mas eles nunca conseguiram observar esse relacionamento em um único evento.
"Você pode fazer isso apenas com esses eventos especiais, onde o buraco negro está parado lá, sem fazer nada, e de repente vem uma estrela, fornecendo-lhe muito combustível para se potencializar", diz Pasham. "Essa é a oportunidade perfeita para estudar essas coisas a partir do zero, essencialmente".
Com base em modelos teóricos da evolução do buraco negro, combinados com observações de galáxias distantes, os cientistas têm uma compreensão geral do que acontece durante um evento de ruptura de maré: quando uma estrela passa perto de um buraco negro, a atração gravitacional do buraco negro gera forças de maré na estrela, semelhante à maneira pela qual a Lua agita as marés na Terra.
No entanto, as forças gravitacionais de um buraco negro são tão intensas que podem perturbar a estrela, esticando-a e achatando-a como uma panqueca e acabando por rasgar a estrela em pedaços. Depois disso, uma chuva de escombros estelares fica presa em um disco de acréscimo - um redemoinho de material cósmico que eventualmente afunila e alimenta o buraco negro.
Todo este processo gera explosões colossais de energia através do espectro eletromagnético. Os cientistas observaram essas explosões nas bandas ópticas, ultravioleta e de raios X, e também ocasionalmente na extremidade de rádio do espectro. Imagina-se que a fonte das emissões de raios-X origina-se de um material ultra-quente nas regiões mais internas do disco de acréscimo, que está prestes a cair no buraco negro. As emissões ópticas e ultravioletas provavelmente surgem de uma material mais externo no disco, que eventualmente também será atraído para dentro do buraco negro.
No entanto, o que dá origem a emissões de rádio durante um surto de ruptura de maré ainda é tema de debate.
"Sabemos que as ondas de rádio estão vindo de elétrons energéticos que estão se movendo em um campo magnético - esse é um processo bem conhecido", diz Pasham. "O debate tem sido, de onde vêm esses elétrons energéticos?"
Alguns cientistas propõem que, nos momentos após a explosão estelar, uma onda de choque se propaga para fora e energiza as partículas de plasma no meio circundante, em um processo que, por sua vez, emite ondas de rádio. Em tal cenário, o padrão de ondas de rádio emitidas seria radicalmente diferente do padrão de raios-X produzidos a partir de detritos estelares sendo ejetados. "O que encontramos basicamente desafia este paradigma", diz Pasham.
Pasham e van Velzen analisaram os dados registrados a partir de um surto de ruptura de maré descoberto em 2014 pela rede global de telescópios da Pesquisa Automatizada para Supernovas de Todo Céu ( ASASSN, na sigla em inglês). Logo após a descoberta inicial, vários telescópios eletromagnéticos se concentraram no evento, que os astrônomos denominaram de ASASSN-14li. Pasham e van Velzen examinaram dados de rádio de três telescópios do evento durante 180 dias.
Os pesquisadores examinaram os dados de rádio compilados e descobriram uma clara semelhança com os padrões que haviam observado anteriormente em dados de raios X do mesmo evento. Quando eles ajustaram os dados de rádio sobre os dados de raios X, para comparar suas semelhanças, eles descobriram que os conjuntos de dados eram tão semelhantes quanto 90%, quando mudados em 13 dias. Ou seja, as mesmas flutuações no espectro de raios X apareceram 13 dias depois na banda de rádio.
"A única maneira que essa conexão pode acontecer é se houver um processo físico que esteja de alguma forma conectando o fluxo de acréscimo produtor de raios-X com a região produtora de rádio", diz Pasham. Com os mesmos dados, Pasham e van Velzen calcularam que o tamanho da região emissora de raios-X era cerca de 25 vezes o tamanho do Sol, enquanto a região emissora de rádio era de cerca de 400.000 vezes o raio solar.
"Não é uma coincidência que isso esteja acontecendo", diz Pasham. "Claramente há uma conexão causal entre esta pequena região que produz raios-X, e esta grande região que produz ondas de rádio".
A equipe propõe que as ondas de rádio foram produzidas por um jato de partículas de alta energia que começaram a fluir do buraco negro logo após o buraco negro ter começado a absorver material da estrela explodida. Como a região do jato onde essas ondas de rádio se formaram pela primeira vez era incrivelmente densa (fortemente cheia de elétrons), a maioria das ondas de rádio foi imediatamente absorvida por outros elétrons.
Foi somente quando os elétrons fluíram para fora do jato é que as ondas de rádio puderam escapar - produzindo o sinal que os pesquisadores eventualmente detectaram. Assim, eles dizem, a força do jato deve ser controlada pela taxa de acreção, ou a velocidade na qual o buraco negro está consumindo detritos estelares que emitem raios-X.
Em última análise, os resultados podem ajudar os cientistas a caracterizar melhor a física do comportamento dos jatos - um ingrediente essencial na modelagem da evolução das galáxias. Pensa-se que as galáxias crescem produzindo novas estrelas, um processo que requer temperaturas muito frias. Quando um buraco negro emite um jato de partículas, ele aquece a galaxia circundante, produzindo uma parada temporária na produção estelar. Pasham diz que os novos insights da equipe sobre a produção de jatos e o acúmulo de buracos negros podem ajudar a simplificar os modelos da evolução galáctica.
"Se a taxa em que o buraco negro está se alimentando é proporcional à taxa em que está bombeando energia, e se isso realmente funcionar para cada buraco negro, é uma receita simples que você pode usar em simulações de evolução galáctica", disse Pasham.

Fonte: MIT News