3632: Spitzer detecta “dança” de dois buracos negros. Brilham mais do que um bilião de estrelas

CIÊNCIA/ASTRONOMIA

NASA / JPL-Caltech
Dois buracos negros na galáxia OJ 287

Observações feitas com o Telescópio Espacial Spitzer da NASA – que se reformou no início do ano depois de 16 anos de observações – revelaram o momento exacto de uma dança entre dois buracos negros.

No centro da galáxia OJ 287 moram dois buracos negros dançantes. Um deles é cercado por um disco de gás e o segundo buraco negro que o orbita colide a cada 12 anos com o disco, produzindo um brilho intenso, muito mais brilhante do que um bilião de estrelas.

Segundo adianta o portal EurekAlert, o fenómeno que ocorre nesta galáxia, a 3,5 mil milhões de anos-luz da Terra, foi captado pelo telescópio Spitzer.

O buraco negro no centro da OJ 287 é 18 mil milhões de vezes mais massivo que o Sol, sendo um dos maiores que a NASA alguma vez detectou. O segundo é um buraco negro mais “pequeno”, mas ainda assim, 150 milhões de vezes mais massivo do que a nossa estrela.

De acordo com a agência espacial norte-americana, os buracos negros estão numa “dança” porque não estão parados no espaço, movendo-se activamente pela galáxia. No entanto, como são negros não podem ser observados directamente, o que dificulta o seu estudo.

A cada 12 anos, o buraco negro mais pequeno choca contra o enorme disco de gás do outro buraco. Por ter uma orbita irregular de 12 anos, os buracos negros colidem em diferentes alturas do seu ciclo.

O choque cria um flash de luz muito mais brilhante do que toda a Via Láctea. Quando ocorre o choque, são criadas duas nuvens de gás quente que se movem do disco em direcções opostas e, em menos de 48 horas, o brilho do sistema parece quadruplicar de intensidade.

Como este fenómeno ocorre de 12 em 12 anos, é muito difícil registar a sua previsão. No entanto, um grupo de investigadores afirma que o último choque ocorreu no dia 31 de Julho de 2019 e foi captado pelo telescópio Spitzer. Este foi um dos seus últimos registos, antes de se reformar em Janeiro deste ano.

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Por ZAP
4 Maio, 2020

 

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Spitzer revela o “timing” preciso de uma dança de dois buracos negros

Esta imagem mostra dois buracos negros massivos na galáxia OJ 287. O buraco negro mais pequeno orbita o maior, que também está rodeado por um disco de gás. Quando o buraco negro mais pequeno atravessa o disco, produz um clarão mais brilhante do que um bilião de estrelas.
Crédito: NASA/JPL-Caltech

Os buracos negros não são estacionários no espaço; de facto, podem ser bastante activos no que toca aos seus movimentos. Mas como são completamente escuros e não podem ser observados directamente, não são fáceis de estudar. Os cientistas finalmente descobriram o movimento exacto de uma dança complicada entre dois buracos negros enormes, revelando detalhes ocultos sobre as características físicas destes misteriosos objectos.

A galáxia OJ 287 abriga um dos maiores buracos negros já encontrados, com mais de 18 mil milhões de vezes a massa do nosso Sol. Em órbita deste gigante está outro buraco negro com cerca de 150 milhões de massas solares. Duas vezes a cada 12 anos, o buraco negro mais pequeno atinge o enorme disco de gás que rodeia o seu companheiro maior, criando um “flash” de luz mais brilhante do que um bilião de estrelas – ainda mais brilhante do que toda a Via Láctea. A luz demora 3,5 mil milhões de anos para chegar à Terra.

Mas a órbita do buraco negro mais pequeno é oblonga, não é circular, e é irregular: muda de posição a cada translação em torno do buraco negro maior e está inclinada em relação ao disco de gás. Quando o buraco negro mais pequeno atravessa o disco, cria duas bolhas de gás quente em expansão que se afastam em direcções opostas e, em menos de 48 horas, o sistema parece quadruplicar em brilho.

Por causa da órbita irregular, o buraco negro colide com o disco a diferentes alturas de cada órbita de 12 anos. Às vezes, os surtos de brilho surgem com apenas um ano de diferença; outras vezes, com até 10 anos de diferença. As tentativas de modelar a órbita e prever estas explosões de brilho levaram décadas, mas, em 2010, os cientistas criaram um modelo que podia prever a sua ocorrência com um grau de incerteza de uma a três semanas. Demonstraram que o seu modelo estava correto prevendo o aparecimento de um surto em Dezembro de 2015 com um grau de incerteza tão pequeno quanto três semanas.

Em 2018, um grupo de cientistas liderados por Lankeswar Dey, estudante do Instituto Tata de Pesquisa Fundamental em Mumbai, Índia, publicaram um artigo com um modelo ainda mais detalhado que afirmam ser capaz de prever o momento de futuros surtos até 4 horas. Num novo estudo publicado na revista The Astrophysical Journal Letters, esses cientistas relataram que a sua previsão, com precisão, de um surto que ocorreu no dia 31 de Julho de 2019 confirma que o modelo está correto.

A observação desse surto quase que não aconteceu. Dado que OJ 287 estava perto do Sol, a partir da perspectiva da Terra, fora da vista de todos os telescópios no solo e em órbita da Terra, o buraco negro só voltaria a ser visto por esses telescópios no início de Setembro, muito depois do clarão. Mas o sistema estava à vista do Telescópio Espacial Spitzer da NASA, que a agência reformou em Janeiro de 2020.

Após 16 anos de operações, a sua órbita colocou o telescópio a 254 milhões de quilómetros da Terra, ou mais de 600 vezes a distância Terra-Lua. A partir deste ponto de vista, o Spitzer pôde observar o sistema de 31 de Julho (o mesmo dia que o surto estava previsto ocorrer) até ao início de Setembro, quando OJ 287 se tornaria observável aos telescópios da Terra.

“Quando verifiquei pela primeira vez a visibilidade de OJ 287, fiquei chocado ao descobrir que ficou visível ao Spitzer no dia em que se previa a próxima explosão de brilho,” disse Seppo Laine, cientista associado do Caltech/IPAC em Pasadena, no estado norte-americano da Califórnia, que supervisionou as observações do sistema pelo Spitzer. “Tivemos muita sorte em poder capturar o pico deste surto com o Spitzer, porque nenhum outro instrumento feito por humanos era capaz de alcançar este feito naquele momento específico.”

Ondulações no espaço

Os cientistas modelam regularmente as órbitas de objectos pequenos no nosso Sistema Solar, como um cometa que gira em torno do Sol, levando em consideração os factores que mais influenciam significativamente os seus movimentos. Para esse cometa, a gravidade do Sol é geralmente a força dominante, mas a força gravitacional dos planetas próximos também pode mudar o seu percurso.

A determinação do movimento de buracos negros enormes é muito mais complexa. Os cientistas têm que ter em conta factores que podem não impactar visivelmente objectos mais pequenos; o factor principal é algo a que chamamos ondas gravitacionais. A teoria da relatividade geral de Einstein descreve a gravidade como a distorção do espaço devido à massa de um objecto. Quando um objecto se move pelo espaço, estas distorções transformam-se em ondas. Einstein previu a existência de ondas gravitacionais em 1916, mas só foram observadas directamente em 2015 pelo LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory).

Quanto maior a massa de um objecto, maiores e mais energéticas as ondas gravitacionais que cria. No sistema OJ 287, os cientistas esperam que as ondas gravitacionais sejam tão grandes que transportem energia suficiente para fora do sistema e alterem de forma mensurável a órbita do buraco negro mais pequeno – e, portanto, o momento das explosões de brilho.

Embora estudos anteriores de OJ 287 tenham tido em conta as ondas gravitacionais, o modelo de 2018 é o mais detalhado até agora. Ao incorporar as informações recolhidas das detecções de ondas gravitacionais pelo LIGO, refina a janela temporal na qual se espera a ocorrência de um surto até apenas dia e meio.

Para refinar ainda mais a previsão dos surtos até um grau de incerteza de 4 horas, os cientistas analisaram detalhes sobre as características físicas do buraco negro maior. Especificamente, o novo modelo incorpora algo chamado teorema “sem cabelo” dos buracos negros.

Publicado na década de 1960 por um grupo de físicos que incluía Stephen Hawking, o teorema faz uma previsão sobre a natureza das “superfícies” dos buracos negros. Embora os buracos negros não tenham superfícies verdadeiras, os cientistas sabem que há um limite em seu redor além do qual nada – nem mesmo a luz – pode escapar. Algumas ideias postulam que a orla externa, chamada horizonte de eventos, pode ser irregular, mas o teorema sem cabelo postula que a “superfície” não possui essas características, nem mesmo cabelo (o nome do teorema é uma piada).

Por outras palavras, se alguém cortasse o buraco negro ao meio ao longo do seu eixo de rotação, a superfície seria simétrica (o eixo de rotação da Terra está quase perfeitamente alinhado com os pólos norte e sul. Se cortássemos o planeta pela metade, ao longo desse eixo, e comparássemos as duas partes, descobriríamos que o nosso planeta é basicamente simétrico, embora características como oceanos e montanhas criem algumas pequenas variações entre as metades).

Encontrando Simetria

Na década de 1970, o professor emérito Kip Thorne, de Caltech, descreveu como este cenário – um satélite que orbita um buraco negro massivo – podia potencialmente revelar se a superfície do buraco negro era macia ou irregular. Ao antecipar correctamente a órbita do buraco negro menor com tanta precisão, o novo modelo suporta o teorema sem cabelo, o que significa que a nossa compreensão básica destes objectos cósmicos incrivelmente estranhos está correta. O sistema OJ 287, por outras palavras, suporta a ideia de que as superfícies dos buracos negros são simétricas ao longo dos seus eixos de rotação.

Então, como é que a suavidade da superfície do buraco negro massivo impacta o “timing” da órbita do buraco negro mais pequeno? Essa órbita é determinada principalmente pela massa do buraco negro maior. Se crescesse mais ou perdesse um pouco da sua massa, isso mudaria o tamanho da órbita do buraco negro mais pequeno. Mas a distribuição da massa também importa. Uma protuberância massiva de um lado do buraco negro maior distorceria o espaço em seu redor de maneira diferente do que se o buraco negro fosse simétrico. Isso alteraria o percurso do buraco negro mais pequeno à medida que orbita o seu companheiro e mudaria de maneira mensurável o tempo da colisão do buraco negro com o disco nessa órbita em particular.

“É importante, para os cientistas dos buracos negros, que provemos ou refutemos o teorema sem cabelo. Sem ele, não podemos confiar que os buracos negros imaginados por Hawking e outros existam,” disse Mauri Valtonen, astrofísico da Universidade de Turku na Finlândia e co-autor do artigo.

Astronomia On-line
1 de Maio de 2020

 

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694: DECIFRADA A PEDRA DE ROSETA DOS NÚCLEOS GALÁCTICOS ACTIVOS

Impressão de artista da região central da galáxia activa OJ 287 com um jacto predecessor. A precessão pode ou ser provocada por um buraco negro binário (inserção A) ou por uma disco de acreção desalinhado (inserção B).
Crédito: Axel M. Quetz/MPIA Heidelberg

Uma galáxia com pelo menos um buraco negro super-massivo activo – de nome OJ 287 – tem provocado muitas irritações e questões no passado. A radiação emitida por este objecto abrange uma ampla faixa – desde o rádio até às energias mais altas no regime TeV. A potencial periodicidade desta emissão óptica variável fez desta galáxia uma candidata a hospedar um buraco negro binário super-massivo no seu centro. O objecto foi assim rotulado como a “pedra de Roseta” dos núcleos galácticos activos, expressando a esperança de que pudesse ser um objecto prototípico e, uma vez decifrado, pudesse explicar as propriedades fundamentais dos buracos negros activos em geral. Agora, uma equipa internacional de astrónomos liderada por investigadores do Instituto Max Planck descobriu que o núcleo galáctico activo de OJ 287 gera um jacto ligeiramente predecessor numa escala de tempo de aproximadamente 22 anos. A precessão observada do jacto também poderá explicar a variabilidade na radiação da galáxia. Esta detecção resolve muitos enigmas de uma só vez e fornece uma chave para entender a variabilidade nos núcleos galácticos activos.

Os resultados foram publicados na edição de 21 de Junho da revista científica Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Levámos muito tempo para decifrar os hieróglifos egípcios, as inscrições das pirâmides. Finalmente conseguimos com a ajuda da denominada Pedra de Roseta, encontrada em 1799. Esta estela foi inscrita com três versões do mesmo texto – uma em Egípcio Antigo usando hieróglifos, uma em escrita Demótica e a inferior em Grego Antigo. Percebendo que é o mesmo texto, os enigmáticos hieróglifos puderam ser decifrados e traduzidos com a ajuda da antiga língua grega. Esta descoberta abriu uma nova janela para entender a antiga cultura egípcia. Uma equipa de pesquisa decifrou agora o jacto de uma galáxia que foi apelidada de Pedra de Roseta dos blazares. Os blazares são núcleos galácticos activos onde um buraco negro super-massivo central está a ser alimentado.

A bem conhecida galáxia OJ 287, a uma distância de aproximadamente 3,5 mil milhões de anos-luz, hospeda pelo menos um buraco negro super-massivo com a massa de milhões ou milhares de milhões de sóis. O buraco negro super-massivo está activo e produz um jacto – uma corrente de plasma originária da região nuclear central na vizinhança do buraco negro. Este jacto é observável no rádio. A galáxia é também um alvo bem conhecido dos astrónomos ópticos. As flutuações do brilho desta galáxia, no visível, são lendárias e têm sido observadas desde o final do século XIX, fornecendo uma das mais extensas curvas de luz da Astronomia.

No entanto, apesar de décadas de observações rádio de muitas fontes de jactos e de muitos estudos sofisticados, os jactos permaneciam enigmáticos. Tradicionalmente, a origem das variações do brilho do jacto, observadas no rádio, era atribuída ao mecanismo de alimentação do jacto pelo sistema do buraco negro central. Por outro lado, as características móveis observadas nos jactos – chamadas nós – eram atribuídas a choques que viajam pelo jacto. Os cientistas procuraram uma ligação entre os dois fenómenos, mas isso não podia ser feito de forma consistente até agora.

A equipa de investigação, liderada por Silke Britzen do Instituto Max Planck para Radioastronomia em Bona, Alemanha, usou uma técnica inteligente de observação a fim de monitorizar em detalhe o jacto de OJ 287 perto do seu local de lançamento no buraco negro central. A técnica de radio interferometria envolve radiotelescópios espalhados pelo globo com o objectivo de construir um monstruoso telescópio virtual com o diâmetro da Terra, capaz de observar detalhadamente os centros das galáxias e de observar jactos próximos do buraco negro central.

Considerando um grande conjunto de dados que abrangem um longo período de tempo, a equipa encontrou agora uma forte indicação de que ambos os fenómenos têm a mesma origem: ambos os tipos de observações podem ser explicados somente pelo movimento do jato. O jacto, propriamente dito, está em precessão. Michal Zajacek, também do Instituto, responsável pela modelagem da precessão, afirma: “As variações de brilho resultam da precessão que induz uma variação do aumento Doppler quando o ângulo de visão do jacto muda. Foi realmente surpreendente quando descobrimos que não só o jacto tem precessão, como parece também seguir um movimento mais pequeno semelhante a uma nutação. O movimento combinado de precessão-nutação leva à variabilidade no rádio e também pode explicar algumas das erupções de luz.”

“Percebemos que é o mesmo processo físico que explica tanto a oscilação do jacto pelo céu como as variações de brilho da galáxia – que é a mudança de movimento do jacto. É tudo geometria, é tudo determinista. Não envolve magia,” comenta Silke Britzen. “Isto fornece uma oportunidade única para entender os jactos e a sua potencial origem na vizinhança imediata do buraco negro. Este jacto serve realmente como Pedra de Roseta e permitirá entender os jactos e os seus buracos negros activos de forma muito mais fundamental.”

Britzen e a sua equipa estão convencidos de que o cenário de precessão também pode explicar os 130 anos de erupções ópticas desta fonte mas, como sempre, são necessários mais dados e mais trabalho para uma confirmação final.

Permanece uma questão premente sobre a origem da precessão do jacto. A precessão é um processo físico bem conhecido dos piões ou até da própria Terra. O eixo de rotação do nosso planeta não é estável, mas orbita no espaço com um período de 26.000 anos devido à influência gravitacional do Sol e da Lua. Para a precessão do jacto em OJ 287, a equipa indicou dois cenários possíveis. “Ou temos um sistema com dois buracos negros super-massivos, com o disco que expele o jacto forçado a oscilar devido aos efeitos de maré do buraco negro secundário, ou um único buraco negro que interage com um disco de acreção desalinhado,” conclui Christian Fendt do Instituto Max Planck para Astronomia em Heidelberg.

De qualquer das maneiras, o jacto da galáxia activa OJ287 é um dos mais bem compreendidos até agora e certamente será usado para também decifrar outros jactos extra-galácticos. Poderá até ajudar a desvendar ainda mais a actividade enigmática dos buracos negros super-massivos.

Astronomia On-line
26 de Junho de 2018

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