NICER mapeia “ecos de luz” de buraco negro recém-descoberto

Nesta ilustração de um recém-descoberto buraco negro de nome MAXI J1820+070, o objeto exótico atrai matéria de uma estrela companheira para um disco de acreção. Por cima do disco encontra-se uma região de partículas subatómicas chamada coroa.
Crédito: Aurore Simonnet e Centro de Voo Espacial Goddard da NASA

Cientistas mapearam o ambiente em torno de um buraco negro de massa estelar com 10 vezes a massa do Sol usando o NICER (Neutron star Interior Composition Explorer) da NASA a bordo da Estação Espacial Internacional. O NICER detectou raios-X do recém-descoberto buraco negro MAXI J1820+070 (ou J1820), à medida que consumia material de uma estrela companheira. Ondas de raios-X formaram “ecos de luz” reflectidos do turbilhão de gás perto do buraco negro e revelaram mudanças no tamanho e na forma do ambiente.

“O NICER permitiu-nos medir os ecos de luz mais próximos, até agora, de um buraco negro de massa estelar,” disse Erin Kara, astrofísica da Universidade de Maryland em College Park e do Centro de Voo Espacial Goddard no mesmo estado norte-americano, que apresentou os seus achados na 233.ª reunião da Sociedade Astronómica Americana em Seattle. “Anteriormente, esses ecos de luz do disco interior de acreção tinham sido vistos apenas em buracos negros supermassivos, que têm milhões a milhares de milhões de vezes a massa do Sol e que mudam muito lentamente. Os buracos negros de massa estelar como J1820 têm massas muito menores e evoluem muito mais depressa, de modo que podemos ver mudanças a ocorrer em escalas de tempo humanas.”

O artigo que descreve as descobertas, liderado por Kara, foi publicado na edição de 10 de Janeiro da revista Nature e está disponível online.

J1820 está localizado a aproximadamente 10.000 anos-luz na direcção da constelação de Leão. A estrela companheira no sistema foi identificada num levantamento realizado pela missão Gaia da ESA, que permitiu que os cientistas estimassem a sua distância. Os astrónomos só souberam da presença do buraco negro no dia 11 de Março de 2018, quando foi detectada uma explosão pelo MAXI (Monitor of All-sky X-ray Image) da JAXA (a agência espacial japonesa), também a bordo da ISS. J1820 passou de um buraco negro totalmente desconhecido para uma das fontes mais brilhantes do céu de raios-X ao longo de alguns dias. O NICER foi rapidamente apontado para esta transição dramática e continua a seguir o rescaldo da erupção.

“O NICER foi desenhado para ser suficientemente sensível para estudar objectos fracos e incrivelmente densos chamados estrelas de neutrões,” disse Zaven Arzoumanian, chefe científico do NICER em Goddard e co-autor do artigo. “Estamos satisfeitos com quão útil provou ser também no estudo destes buracos negros de massa estelar que brilham em raios-X.”

Um buraco negro pode sugar gás de uma estrela companheira próxima para um anel de material chamado disco de acreção. As forças gravitacionais e magnéticas aquecem o disco a milhões de graus, tornando-o quente o suficiente para produzir raios-X nas regiões mais internas do disco, perto do buraco negro. As explosões ocorrem quando uma instabilidade no disco provoca uma inundação de gás para o interior, na direcção do buraco negro, como uma avalanche. Os motivos das instabilidades de disco não são bem compreendidos.

Acima do disco está a coroa, uma região de partículas subatómicas com mais ou menos mil milhões de graus Celsius que brilha em raios-X altamente energéticos. Ainda permanecem muitos mistérios sobre a origem e evolução da coroa. Algumas teorias sugerem que a estrutura poderá representar uma forma inicial dos jactos de partículas velozes que esses tipos de sistemas geralmente emitem.

Os astrofísicos querem entender melhor como a orla interna do disco de acreção e a coroa, por cima, mudam de tamanho e forma à medida que um buraco negro acreta material da sua estrela companheira. Se se conseguir entender como e porque é que estas mudanças ocorrem nos buracos negros de massa estelar ao longo de um período de semanas, os cientistas podem lançar luz sobre a evolução dos buracos negros supermassivos ao longo de milhões de anos e como afectam as galáxias em que residem.

Um dos métodos usados para estudar estas mudanças tem o nome mapeamento de reverberação de raios-X, que usa reflexos de raios-X da mesma maneira que um sonar usa ondas sonoras para mapear terreno submarino. Alguns raios-X da coroa viajam directamente até nós, enquanto outros iluminam o disco e são reflectidos de volta a energias e ângulos diferentes.

O mapeamento de reverberação de raios-X dos buracos negros supermassivos mostrou que a orla interna do disco de acreção está muito próxima do horizonte de eventos, o ponto de não retorno. A coroa também é compacta, ficando mais próxima do buraco negro do que grande parte do disco de acreção. Observações anteriores de ecos de raios-X de buracos negros estelares, no entanto, sugeriram que a secção interior do disco de acreção podia estar bem distante, até centenas de vezes o tamanho do horizonte de eventos. No entanto, o buraco negro de massa estelar J1820 tem um comportamento mais parecido com o dos seus primos supermassivos.

À medida que examinava as observações de J1820 pelo NICER, a equipa viu uma diminuição no atraso de tempo entre o clarão inicial de raios-X oriundos directamente da coroa e o seu eco do disco, indicando que os raios-X viajaram cada vez menos antes de serem reflectidos. A 10.000 anos-luz de distância, estimaram que a coroa se contraiu verticalmente de aproximadamente 161 km para 16,1 km – o correspondente a ver algo do tamanho de um mirtilo a encolher para algo com o tamanho de uma semente de papoila à distância de Plutão.

“Esta é a primeira vez que vemos este tipo de evidência da diminuição da coroa durante esta fase particular da evolução de uma erupção,” salientou o co-autor Jack Steiner, astrofísico do Instituto Kavli para Astrofísica e Investigação Espacial do MIT (Massachusetts Institute of Technology) em Cambridge. “A coroa ainda é bastante misteriosa e ainda temos uma compreensão fraca do que é. Mas agora temos evidências de que o que está a evoluir no sistema é a estrutura da própria coroa.”

Para confirmar que a diminuição no tempo de atraso era provocada por uma mudança na coroa e não no disco, os cientistas usaram um sinal chamado linha K de ferro, produzido quando os raios-X da coroa colidem com átomos de ferro no disco, dotando-os de fluorescência. O tempo corre mais devagar em campos gravitacionais mais fortes e a velocidades mais altas, como indicado pela teoria da relatividade de Einstein. Quando os átomos de ferro mais próximos do buraco negro são bombardeados pela luz do núcleo da coroa, os comprimentos de onda de raios-X que emitem são esticados porque o tempo move-se mais lentamente para eles do que para o observador (neste caso, o NICER).

A equipa de Kara descobriu que a linha K de ferro esticada de J1820 permaneceu constante, o que significa que a orla interna do disco permaneceu perto do buraco negro – semelhante a um buraco negro super-massivo. Se o menor tempo de atraso fosse provocado por uma região interna do disco movendo-se ainda mais para dentro, então a linha K de ferro teria sido esticada ainda mais.

Estas observações fornecem aos cientistas novas informações sobre como o material é afunilado para o buraco negro e como a energia é libertada neste processo.

“As observações de J1820 pelo NICER ensinaram-nos algo novo sobre os buracos negros de massa estelar e sobre como podemos usá-los como análogos para o estudo dos buracos negros supermassivos e dos seus efeitos na formação de galáxias,” disse o co-autor Philip Uttley, astrofísico da Universidade de Amesterdão. “Já assistimos a quatro eventos parecidos no primeiro ano do NICER e é impressionante. Parece que estamos à beira de um enorme avanço na astronomia de raios-X.”

Astronomia On-line
1 de Fevereiro de 2019

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