3528: ALMA observa gás impactado por jactos jovens de buraco negro super-massivo

CIÊNCIA/ASTRONOMIA

Imagem reconstruida do aspecto de MG J0414+0534 caso os efeitos de lente gravitacional fossem “desligados”. As emissões da poeira e do gás ionizado em torno de um quasar podem ser vistas a vermelho. As emissões do gás monóxido de carbono são vistas a verde, que têm uma estrutura bipolar ao longo dos jatos.
Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), K. T. Inoue et al.

Usando o ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), os astrónomos obtiveram a primeira imagem de nuvens perturbadas de gás numa galáxia a 11 mil milhões de anos-luz de distância. A equipa descobriu que a perturbação é provocada por jactos jovens e poderosos libertados por um buraco negro super-massivo que reside no centro da galáxia hospedeira. Este resultado lançará luz sobre o mistério do processo evolutivo das galáxias no início do Universo.

É sabido que os buracos negros exercem uma forte atracção gravitacional na matéria circundante. No entanto, é menos conhecido que alguns buracos negros têm fluxos velozes de matéria ionizada, chamados jactos. Em algumas galáxias próximas, os jactos desenvolvidos expelem nuvens galácticas de gás, resultando na supressão de formação estelar. Portanto, para entender a evolução das galáxias, é crucial observar a interacção entre jactos de buracos negros e nuvens gasosas ao longo da história cósmica. No entanto, tem sido difícil obter evidências claras desta interacção, especialmente no início do Universo.

Para obter evidências tão claras, a equipa usou o ALMA para observar um objecto interessante conhecido como MG J0414+0534. Uma característica distintiva de MG J0414+0534 é que os caminhos que a sua luz percorre até à Terra são significativamente distorcidos pela gravidade de outra galáxia “lente” entre MG J0414+0534 e nós, provocando uma ampliação significativa.

“Esta distorção funciona como um ‘telescópio natural’ para permitir uma visão detalhada de objectos distantes,” diz Takeo Minezaki, professor da Universidade de Tóquio.

Outra característica é que MG J0414+0534 possui um buraco negro super-massivo com jactos bipolares no centro da galáxia hospedeira. A equipa conseguiu reconstruir a imagem “verdadeira” das nuvens gasosas, bem como dos jactos de MG J0414+0534, contabilidade cuidadosamente os efeitos gravitacionais exercidos pela galáxia “lente” interveniente.

“Combinando este telescópio cósmico e as observações de alta resolução do ALMA, obtivemos uma visão excepcionalmente nítida, que é 9000 vezes melhor do que a visão humana,” acrescenta Kouichiro Nakanishi, professor associado do projecto no NAOJ (National Astronomical Observatory of Japan)/SOKENDAI. “Com esta resolução extremamente alta, conseguimos obter a distribuição e o movimento nuvens gasosas em torno de jactos expelidos por um buraco negro super-massivo.”

Graças a uma resolução tão superior, a equipa descobriu que nuvens gasosas ao longo dos jactos têm movimentos violentos com velocidades de até 600 km/s, mostrando evidências claras de gás impactado. Além disso, descobriu-se que o tamanho das nuvens gasosas impactadas e dos jactos é muito menor do que o tamanho típico de uma galáxia com esta idade.

“Talvez estejamos a testemunhar a fase inicial da evolução dos jactos na galáxia,” diz Satoki Matsushita, investigador do Instituto de Astronomia e Astrofísica da Academia Sinica. “Pode ser tão cedo quanto algumas dezenas de milhares de anos após o lançamento dos jactos.”

“MG J0414+0534 é um exemplo excelente devido à jovem idade dos jatos,” sumariz Kaiki Inoue, professor na Universidade Kindai, Japão, e autor principal do artigo científico publicado na revista The Astrophysical Journal Letters. “Encontrámos evidências reveladoras da interacção significativa entre jatos e nuvens gasosas, mesmo na fase evolutiva inicial dos jactos. Acho que a nossa descoberta abrirá o caminho para uma melhor compreensão do processo evolutivo das galáxias no início do Universo.”

Astronomia On-line
31 de Março de 2020

 

spacenews

 

Buracos negros super-massivos pouco depois do Big Bang: como os “semear”

CIÊNCIA/ASTRONOMIA

Impressão de artista de um dos mais primitivos buracos negros super-massivos conhecidos (círculo preto central) no núcleo de uma jovem galáxia, rica em estrelas.
Crédito: NASA/JPL-Caltech

São milhares de milhões de vezes maiores que o nosso Sol: como é possível que, como observado recentemente, os buracos negros super-massivos já estivessem presentes quando o Universo, agora com quase 14 mil milhões de anos, tinha “apenas” 800 milhões de anos? Para os astrofísicos, a formação destes monstros cósmicos num tão curto espaço de tempo é uma verdadeira dor de cabeça científica, que levanta questões importantes sobre o conhecimento actual do desenvolvimento destes corpos celestes.

Um artigo publicado recentemente na revista The Astrophysical Journal, pelo estudante de doutoramento Lumen Boco e pela sua orientadora Andrea Lapi, do SISSA (Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati), fornece uma possível explicação para esta difícil questão. Graças a um modelo original teorizado por cientistas de Trieste, Itália, o estudo propõe um processo muito rápido de formação nas fases iniciais do desenvolvimento dos buracos negros super-massivos, até agora consideradas mais lentas. Provando, matematicamente, que a sua existência era possível no jovem Universo, os resultados da investigação conciliam o tempo necessário para o seu desenvolvimento com os limites impostos pela idade do Cosmos.

A teoria pode ser totalmente validada graças a futuros detectores de ondas gravitacionais, como o Telescópio Einstein e o LISA, mas testada também em vários aspectos básicos com o actual sistema Advanced LIGO/Virgo.

O monstro cósmico que cresce no centro das galáxias

Os cientistas começaram o seu estudo com uma evidência observacional bem conhecida: o crescimento de buracos negros super-massivos ocorre nas regiões centrais das galáxias, progenitores das galáxias elípticas actuais, que tinham um conteúdo de gás muito alto e em que a formação estelar era extremamente intensa. “As maiores estrelas vivem pouco tempo e evoluem muito rapidamente para buracos negros estelares, tão grandes quanto várias dezenas de massas solares; são pequenos, mas nestas galáxias muitos formam-se.”

O gás denso que os rodeia, explicam Boco e Lapi, tem um efeito definitivo muito poderoso de atrito dinâmico e faz com que migrem muito depressa para o centro da galáxia. A maioria dos inúmeros buracos negros que alcançam as regiões centrais fundem-se, criando a semente do buraco negro super-massivo. Boco e Lapi continuam: “De acordo com as teorias clássicas, um buraco negro super-massivo cresce no centro de uma galáxia capturando a matéria circundante, principalmente gás, ‘cultivando-se’ a ele próprio e finalmente devorando essa matéria a um ritmo proporcional à sua massa.”

“Por esta razão, durante as fases iniciais do seu desenvolvimento, quando a massa do buraco negro é pequena, o crescimento é muito lento. Na medida em que, de acordo com os cálculos, para atingir a massa observada, milhares de milhões de vezes a do Sol, seria necessário um tempo muito longo, ainda maior do que a idade do Universo jovem.” O seu estudo, no entanto, mostrou que as coisas podem desenvolver-se muito mais depressa.

A corrida louca dos buracos negros: o que os cientistas descobriram

“Os nossos cálculos numéricos mostram que o processo de migração dinâmica e fusão de buracos negros estelares pode fazer com que a semente do buraco negro super-massivo alcance uma massa entre 10.000 e 100.000 vezes a massa do Sol em apenas 50-100 milhões de anos.” Neste ponto, dizem os cientistas, “o crescimento do buraco negro central de acordo com a acreção directa de gás, mencionada anteriormente e prevista pela teoria padrão, tornar-se-ia muito mais rápida, porque a quantidade de gás que conseguirá atrair e absorver tornar-se-ia imensa, e predominante no processo que propomos”.

“No entanto, precisamente o fato de partir de uma semente tão grande, como previsto pelo nosso mecanismo, acelera o crescimento global do buraco negro super-massivo e permite a sua formação, também no Universo jovem. Em resumo, à luz desta teoria, podemos afirmar que 800 milhões de anos após o Big Bang, os buracos negros super-massivos já podiam povoar o Cosmos”.

“Olhando” para o crescimento das sementes dos buracos negros super-massivos

O artigo, além de ilustrar o modelo e demonstrar a sua eficácia, também propõe um método de teste: “A fusão de vários buracos negros estelares com a semente do buraco negro super-massivo no centro produzirá ondas gravitacionais que esperamos ver e estudar com detectores actuais e futuros,” explicam os investigadores.

Em particular, as ondas gravitacionais emitidas nas fases iniciais, quando a semente do buraco negro central ainda é pequena, serão identificáveis pelos detectores actuais Advanced LIGO/Virgo e totalmente caracterizáveis pelo futuro Telescópio Einstein. As fases subsequentes de desenvolvimento do buraco negro super-massivo podem ser investigadas graças ao futuro detector LISA, com lançamento previsto para mais ou menos 2034. Desta forma, explicam Boco e Lapi, “o processo que propomos pode ser validado nas suas diferentes fases, de maneira complementar, pelos futuros detectores de ondas gravitacionais.”

“Esta investigação,” conclui Andrea Lapi, coordenadora do grupo de Astrofísica e Cosmologia do SISSA, “mostra como os estudantes e investigadores do nosso grupo estão a aproximar-se completamente da nova fronteira das ondas gravitacionais e da astronomia multi-mensageira. Em particular, o nosso principal objectivo será desenvolver modelos teóricos, como o desenvolvido neste caso, que servem para capitalizar as informações provenientes das experiências actuais e futuras de ondas gravitacionais, fornecendo assim soluções para problemas não resolvidos relacionados com a astrofísica, cosmologia e física fundamental.”

Astronomia On-line
27 de Março de 2020

 

spacenews

 

3247: O buraco super-massivo no centro da Via Láctea pode ter um amigo

CIÊNCIA

NASA

Um grupo de cientistas liderado pela astrofísica Smadar Naoz considera que o buraco negro super-massivo Sagitario A* (Sgr A*), localizada no centro da Via Láctea, pode ter um acompanhante.

Este potencial segundo buraco negro ainda não foi registado. No entanto, a sua existência pode ser corroborada ou descartada através de “uma infinidade de efeitos observáveis”, de acordo com os especialistas.

Ao Space, a astrofísica Smadar Naoz disse que o efeito mais óbvio seria o movimento das estrelas mais próximas do centro da Via Láctea, como a S0-2, que orbita Sgr A* com um período de 16 anos. Se houver um buraco negro que o acompanha, o seu tamanho não seria maior do que um décimo do principal, que é um milhão de vezes maior que o Sol.

As observações permitiram descartar a existência de “um segundo buraco negro super-massivo com massa 100 mil vezes maior” do que a do Sol e é “200 vezes a distância” entre aquela estrela e a Terra em relação ao Sgr A*, explicou Naoz.

No entanto, estas circunstâncias não descartam que, nessa área, exista um buraco negro mais pequeno que “não altere a órbita do SO-2 de uma maneira que possamos medir com facilidade”, acrescentou a especialista.

Assim, a presença de um segundo buraco negro seria detectada ao observar a emissão de S0-2 no momento da sua aproximação máxima ao Sgr A*, um fenómeno que ocorrerá em cerca de 16 anos e no qual “se poderia alterar o resultado esperado”.

Além disso, a interacção dos dois buracos negros deverá libertar ondas gravitacionais de frequência bastante baixa. Os dispositivos disponíveis hoje não são capazes de detectar essas flutuações, mas a Antena Espacial de Interferómetro a Laser (LISA) que a NASA espera que entre em funcionamento em 2034 poderá registá-los no futuro.

O estudo está disponível no servidor pré-impressão ArXiv.

ZAP //

Por ZAP
22 Dezembro, 2019

 

spacenews