3792: Cientistas capturaram em vídeo explosão de um enorme buraco negro

CIÊNCIA/ASTRONOMIA

 

 

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Uma equipa de astrónomos capturou o momento exacto em que um buraco negro lança material quente para o Espaço à velocidade da luz.

O telescópio espacial de raios-X Chandra captou a explosão de um buraco negro. O corpo celeste cuspiu material incandescente para o Espaço e a sua forte gravidade arrastou a sua estrela companheira para um disco emissor de raios-X ao seu redor.

No vídeo captado pelos cientistas da NASA, parte do gás quente no disco cruza o “horizonte de eventos” – o ponto de não retorno -, e é consumida pelo buraco negro. A outra parte do gás é ejectada desde o seu interior em direcções opostas, ao longo das linhas do campo magnético.

De acordo com a equipa, os jactos estão a desacelerar à medida que se afastam do buraco negro. A maior parte da energia dos jactos não é convertida em radiação, mas sim libertada quando as partículas interagem com o material circundante. Estas interacções podem ser a causa da desaceleração dos jactos.

Segundo a Sputnik, as novas imagens do comportamento deste buraco negro são baseadas em quatro observações obtidas com o Chandra em Novembro de 2018 e Fevereiro, maio e Junho de 2019.O artigo científico com os resultados foi publicado recentemente no The Astrophysical Journal Letters.

Os astrónomos estimam que a massa ejectada do buraco negro corresponda a cerca de 500 milhões de vezes a massa do Empire State Building, um arranha-céus de 102 andares no centro de Manhattan, em Nova Iorque.

Até hoje, só foram observados em raios-X dois outros exemplos deste tipo de ejecções de alta velocidade a partir de buracos negros de massa estelar.

O buraco negro e sua a estrela companheira formam um sistema chamado MAXI J1820+070, localizado a cerca de 10.000 anos-luz da Terra. A massa do buraco negro é cerca de oito vezes a do Sol, enquanto que a estrela tem quase metade da massa da nossa estrela.

ZAP //

Por ZAP
5 Junho, 2020

 

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MAXI J1820+070: surto de buraco negro “apanhado” em vídeo

CIÊNCIA/ASTRONOMIA

Imagem no visível e no infravermelho, de campo largo, em torno da posição de MAXI J1820+070 no céu (assinalado pela cruz).
Crédito: raios-X – NASA/CXC/Universidade de Paris/M. Espinasse et al.; ótico/IR: PanSTARRS

Os astrónomos encontraram um buraco negro a lançar material quente para o espaço quase à velocidade da luz. Este surto foi capturado numa nova animação do Observatório de raios-X Chandra da NASA.

O buraco negro e a sua estrela companheira compõem o sistema chamado MAXI J1820+070, localizado na nossa Galáxia a cerca de 10.000 anos-luz da Terra. O buraco negro no sistema MAXI J1820+070 tem uma massa de aproximadamente 8 vezes a do Sol, identificando-o como um buraco negro de massa estelar, formado pela destruição de uma estrela massiva (isto em contraste com os buracos negros super-massivos que contêm milhões ou milhares de milhões de vezes a massa do Sol).

A estrela companheira que orbita o buraco negro tem cerca de metade da massa do Sol. A forte gravidade do buraco negro puxa material da estrela companheira para um disco que emite raios-X situado em torno de si próprio.

Enquanto parte do gás quente no disco cruza o “horizonte de eventos” (o ponto de não retorno) e cai no buraco negro, parte é expelida para longe do buraco negro num par de feixes curtos de material, ou jactos. Estes jactos estão apontados em direcções opostas, lançados de fora do horizonte de eventos ao longo das linhas do campo magnético. As novas imagens do comportamento deste buraco negro são baseadas em quatro observações obtidas com o Chandra em Novembro de 2018 e Fevereiro, Maio e Junho de 2019, e foram relatadas num artigo liderado por Mathilde Espinasse da Universidade de Paris.

O painel principal da imagem acima é uma imagem óptica e infravermelha de campo largo da Via Láctea pelo telescópio óptico PanSTARRS no Hawaii, com a posição de MAXI J1820+070 acima do plano da Galáxia assinalada por uma cruz. A inserção mostra uma animação que percorre as quatro observações do Chandra, em que o “dia 0” corresponde à primeira observação de 13 de Novembro de 2018, cerca de quatro meses depois do lançamento do jacto. MAXI J1820+070 é a brilhante fonte de raios-X no meio da imagem e as fontes de raios-X podem ser vistas a afastarem-se do buraco negro em jactos para norte e sul. MAXI J1820+070 é uma fonte pontual de raios-X, embora pareça ser muito maior do que um ponto porque é bastante mais brilhante do que as fontes de jacto. O jacto sul é demasiado fraco para ser detectado nas observações de maio e Junho de 2019.

Qual é a velocidade a que os jactos de material se afastam do buraco negro? Do ponto de vista da Terra, parece que o jacto norte está a mover-se a 60% da velocidade da luz, enquanto o jacto sul está a viajar a 160% da velocidade luz, o que parece impossível!

Este é um exemplo de movimento superluminal, um fenómeno que ocorre quando algo viaja na nossa direcção perto da velocidade da luz, ao longo de uma direção próxima da nossa linha de visão. Isto significa que o objecto viaja quase tão depressa na nossa direcção quanto a luz que gera, dando a ilusão de que o movimento do jacto é mais rápido do que a velocidade da luz. No caso de MAXI J1820+070, o jacto sul está a apontar na nossa direcção e o jacto norte está a apontar para longe de nós, de modo que o jacto sul parece estar a mover-se mais depressa do que o jacto norte. A velocidade real das partículas nos dois jactos é superior a 80% da velocidade da luz.

Apenas dois outros exemplos de expulsões de alta velocidade foram observados em raios-X oriundos de buracos negros de massa estelar.

MAXI J1820+070 também foi observado no rádio por uma equipa liderada por Joe Bright, da Universidade de Oxford, que havia relatado anteriormente a detecção de movimento superluminal de fontes compactas baseado em apenas dados de rádio que se estendiam desde o lançamento dos jactos no dia 7 de Julho de 2018, até ao final de 2018.

Dado que as observações do Chandra aproximadamente duplicaram o tempo de acompanhamento dos jactos, uma análise combinada dos dados de rádio e dos novos dados do Chandra, por Espinasse e pela sua equipa, forneceu mais informações. Isto inclui evidências de que os jactos estão a desacelerar à medida que se afastam do buraco negro.

A maior parte da energia nos jactos não é convertida em radiação, mas é libertada quando as partículas nos jactos interagem com o material circundante. Estas interacções podem ser a causa da desaceleração dos jactos. Quando os jactos colidem com o material circundante no espaço interestelar, ocorrem ondas de choque – semelhantes às explosões sónicas provocadas por aeronaves supersónicas. Este processo gera energias maiores que as do LHC (Large Hadron Collider).

Os investigadores estimam que cerca de 200 mil biliões de quilogramas de material tenham sido expelidos pelo buraco negro nestes dois jactos lançados em Julho de 2018. Esta quantidade de massa é comparável à que podia ficar acumulada no disco em torno do buraco negro no espaço de algumas horas, e é equivalente a cerca de mil Cometas Halley.

Os estudos de MAXI J1820+070 e sistemas similares prometem ensinar-nos mais sobre os jactos produzidos por buracos negros de massa estelar e como libertam a sua energia quando interagem com o ambiente.

As observações rádio realizadas com o VLA (Karl G. Jansky Very Large Array) e com o MeerKAT também foram usadas para estudar os jactos de MAXI J1820+070.

O artigo que descreve estes resultados foi publicado na edição mais recente da revista The Astrophysical Journal Letters e está disponível online.

Astronomia On-line
2 de Junho de 2020

 

spacenews

 

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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