2373: Como os buracos negros moldam galáxias

Impressão de artista que mostra como os ventos ultra-rápidos soprados por um buraco negro super-massivo interage com a matéria interestelar na galáxia hospedeira, limpando gás das suas regiões centrais.
Crédito: ESA/ATG medialab

Dados do observatório de raios-X XMM-Newton da ESA revelaram como os buracos negros super-massivos moldam as suas galáxias hospedeiras com ventos fortes que varrem a matéria interestelar.

Num novo estudo, os cientistas analisaram oito anos de observações do XMM-Newton do buraco negro no centro de uma galáxia activa conhecida como PG 1114+445, mostrando como os ventos ultra-rápidos – fluxos de gás emitidos do disco de acreção muito próximo do buraco negro – interagem com a matéria interestelar nas partes centrais da galáxia. Estes fluxos já tinham sido vistos antes, mas o novo estudo identifica claramente, e pela primeira vez, três fases da sua interacção com a galáxia hospedeira.

“Estes ventos podem explicar algumas correlações surpreendentes que os cientistas conhecem há anos, mas que não conseguiam explicar,” disse o autor principal Roberto Serafinelli do Instituto Nacional de Astrofísica de Milão, Itália, que realizou a maior parte do trabalho como parte do seu doutoramento na Universidade de Roma Tor Vergata.

“Por exemplo, vemos uma correlação entre as massas de buracos negros super-massivos e a dispersão de velocidade das estrelas nas partes internas das suas galáxias hospedeiras. Mas não há como tal se deva ao efeito gravitacional do buraco negro. O nosso estudo mostra, pela primeira vez, como estes ventos de buracos negros impactam a galáxia em maior escala, possivelmente fornecendo o elo que faltava.”

Os astrónomos já haviam detectado dois tipos de fluxos nos espectros de raios-X emitidos pelos núcleos activos das galáxias, as densas regiões centrais das galáxias conhecidas por conter buracos negros super-massivos. Os chamados fluxos ultra-rápidos (em inglês “ultra-fast outflows”, ou UFOs), feitos de gás altamente ionizado, viaja a velocidades de até 40% da velocidade da luz e são observáveis nas proximidades do buraco negro central.

Os fluxos mais lentos, conhecidos como absorvedores quentes, viajam a velocidades muito mais baixas, de centenas de quilómetros por segundo, e possuem características físicas semelhantes – como densidade de partículas e ionização – à matéria interestelar circundante. É mais provável que esses fluxos mais lentos sejam detectados a distâncias maiores dos centros das galáxias.

No novo estudo, os cientistas descrevem um terceiro tipo de fluxo que combina características dos dois anteriores: a velocidade de um UFO e as propriedades físicas de um absorvedor quente.

“Nós pensamos que este é o ponto em que o UFO toca a matéria interestelar e varre-a como um limpa-neves,” disse Serafinelli. “Nós chamamos a isto ‘escoamento ultra-rápido de arrasto’ porque o UFO neste estágio está a penetrar na matéria interestelar. É similar ao vento que empurra os barcos no mar.”

Este arrasto acontece a uma distância de dezenas a centenas de anos-luz do buraco negro. O UFO gradualmente empurra a matéria interestelar para longe das partes centrais da galáxia, limpando-a do gás e diminuindo a acreção da matéria em redor do buraco negro super-massivo.

Embora os modelos já tenham previsto antes este tipo de interacção, o estudo actual é o primeiro a apresentar observações reais das três fases.

“Nos dados do XMM-Newton, podemos ver material a distâncias maiores do centro da galáxia que ainda não foi perturbado pelo UFO interno,” disse o co-autor Francesco Tombesi da Universidade de Roma Tor Vergata e do Centro de Voo Espacial Goddard da NASA. “Também podemos ver nuvens mais próximas do buraco negro, perto do núcleo da galáxia, onde o UFO começou a interagir com a matéria interestelar.”

Esta primeira interacção acontece muitos anos depois do UFO ter deixado o buraco negro. Mas a energia do UFO permite que o buraco negro relativamente pequeno tenha impacto sobre o material muito além do alcance da sua força gravitacional.

De acordo com os cientistas, os buracos negros super-massivos transferem a sua energia para o ambiente circundante através desses fluxos e gradualmente limpam as regiões centrais da galáxia de gás, o que pode então interromper a formação estelar. De facto, as galáxias de hoje produzem estrelas com muito menos frequência do que costumavam nos estágios iniciais da sua formação.

“Esta é a sexta vez que estes fluxos são detectados,” acrescentou Serafinelli. “É tudo ciência muito recente. Estas fases do fluxo já tinham sido observadas separadamente, mas a ligação entre elas não era clara até agora.”

A resolução de energia sem precedentes do XMM-Newton foi fundamental para diferenciar os três tipos de características correspondentes aos três tipos de fluxos. No futuro, com observatórios novos e mais poderosos, como o ATHENA (Advanced Telescope for High ENergy Astrophysics) da ESA, os astrónomos poderão observar centenas de milhares de buracos negros super-massivos, detectando estes fluxos mais facilmente. ATHENA, que será mais de 100 vezes mais sensível do que o XMM-Newton, deverá ser lançado no início da década de 2030.

“A descoberta de uma fonte é excelente, mas o saber que este fenómeno é comum no Universo seria um grande avanço,” comentou Norbert Schartel, cientista do projecto XMM-Newton da ESA. “Mesmo com o XMM-Newton, podemos encontrar mais destas fontes na próxima década.”

Mais dados, no futuro, vão ajudar a desvendar as complexas interacções entre os buracos negros super-massivos e as suas galáxias hospedeiras em detalhe e a explicar a diminuição na formação estelar que os astrónomos observam ter ocorrido ao longo de milhares de milhões de anos.

Astronomia On-line
26 de Julho de 2019

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