Novas pistas sobre jatos em buracos negros

Os buracos negros são famosos por serem comedores vorazes, mas eles não comem tudo o que cai em sua direção. Uma pequena porção de material é recuperada em potentes jatos de gás quente, chamados de plasma, que podem causar estragos em seus arredores. Ao longo do caminho, este plasma, de alguma forma, fica energizado o suficiente para irradiar fortemente a luz, formando duas colunas brilhantes ao longo do eixo de rotação do buraco negro. Os cientistas há muito discutiram onde e como isso acontece no jato.

Os astrônomos têm novas pistas para esse mistério. Usando o telescópio espacial NuSTAR da NASA e uma câmera rápida chamada ULTRACAM no Observatório William Herschel em La Palma, Espanha, os cientistas conseguiram medir a distância que as partículas dos jatos viajam antes de "ligar" e se tornarem fontes brilhantes de luz. Essa distância é chamada de "zona de aceleração". O estudo foi publicado na revista Nature Astronomy.

Os cientistas examinaram dois sistemas na Via Láctea chamados de "binários de raios-X", cada um consistindo de um buraco negro alimentando-se de uma estrela normal. Eles estudaram esses sistemas em diferentes pontos durante os períodos de explosão - que é quando o disco de acréscimo - uma estrutura plana de material orbitando o buraco negro - acende-se devido ao fato de o material cair.

Um sistema, chamado V404 Cygni, atingiu quase o pico de brilho quando os cientistas o observaram em junho de 2015. Naquela época, experimentou a explosão mais brilhante de um binário de raios-X vista no século XXI. O outro, chamado GX 339-4, era inferior a 1% do seu brilho máximo esperado quando observado. A estrela e o buraco negro do GX 339-4 estão muito mais próximos do que no sistema V404 Cygni.

Apesar de suas diferenças, os sistemas mostraram atrasos de tempo semelhantes - cerca de um décimo de segundo - entre quando o NuSTAR detectou pela primeira vez luz de raios-X e o ULTRACAM detectou fendas em luz visível um pouco mais tarde. Esse atraso é menos que um piscar de olhos, mas significativo para a física de jatos de buracos negros.

"Uma possibilidade é que a física do jato não é determinada pelo tamanho do disco, mas sim pela velocidade, temperatura e outras propriedades das partículas na base do jato", afirmou Poshak Gandhi, principal autor do estudo e astrônomo em a Universidade de Southampton, Reino Unido.

A melhor teoria que os cientistas têm para explicar esses resultados é que a luz de raios-X é originária de material muito próximo ao buraco negro. Campos magnéticos fortes impulsionam parte deste material a altas velocidades ao longo do jato. Isso resulta em partículas colidindo perto da velocidade da luz, energizando o plasma até que ele comece a emitir a corrente de radiação óptica capturada pela ULTRACAM.

Em que local do jato isso ocorre? O atraso medido entre luz óptica e raios-X explica isso. Ao multiplicar essa quantidade de tempo pela velocidade das partículas, que é quase a velocidade da luz, os cientistas determinam a distância máxima percorrida.

Esta extensão de cerca de 30.000 km representa a zona de aceleração interna no jato, onde o plasma sente a aceleração mais forte e "acende" ao emitir luz. Isso é pouco menos de três vezes o diâmetro da Terra, mas minúsculo em termos cósmicos, especialmente considerando que o buraco negro no V404 Cygni tem até 3 milhões de vezes a massa da Terras.

"Os astrônomos esperam refinar modelos dos mecanismos de alimentação de jato usando os resultados deste estudo", disse Daniel Stern, co-autor e astrônomo de estudo baseado no Jet Propulsion Laboratory da NASA, Pasadena, Califórnia.

Fazer essas medidas não foi fácil. Os telescópios de raios-X no espaço e os telescópios ópticos no chão têm que olhar para os binários de raios X exatamente ao mesmo tempo durante explosões para que os cientistas possam calcular o pequeno atraso entre as detecções dos telescópios. Essa coordenação requer um planejamento complexo entre as equipes do observatório. Na verdade, a coordenação entre o NuSTAR e o ULTRACAM só foi possível por cerca de uma hora durante a explosão de 2015, mas isso foi suficiente para calcular os resultados inovadores sobre a zona de aceleração.

Os resultados também parecem se conectar com a compreensão dos cientistas de buracos negros supermassivos, muito maiores do que aqueles neste estudo. Em um sistema supermassivo chamado BL Lacertae, que tem 200 milhões de vezes a massa do nosso Sol, os cientistas inferiram atrasos no tempo, milhões de vezes maiores que o que esse estudo encontrou. Isso significa que o tamanho da área de aceleração dos jatos provavelmente está relacionado à massa do buraco negro.

"Estamos entusiasmados porque parece que encontramos um padrão característico relacionado ao funcionamento interno dos jatos, não apenas em buracos negros de massa estelar como V404 Cygni, mas também em monstro supermassivos", disse Gandhi.

Os próximos passos serão confirmar estes atrasos em observações de outros binários de raios-X, e para desenvolver uma teoria que pode amarrar jatos em buracos negros de todos os tamanhos.

NUSTAR é uma missão do Small Explorer liderada pela Caltech e gerenciada pela JPL para a Direção da Missão de Ciência da NASA em Washington. O NuSTAR foi desenvolvido em parceria com a Universidade Técnica Dinamarquesa e a Agência Espacial Italiana (ASI). A nave espacial foi construída pela Orbital Sciences Corp., Dulles, Virgínia.

O centro de operações missionárias da NuSTAR está na UC Berkeley e o arquivo de dados oficial está na NASA High Energy Astrophysics Science Archive Research Centro. A ASI fornece a estação terrestre da missão e um arquivo espelhado. Caltech gerencia JPL para a NASA.

https://www.nasa.gov/nustar

http://www.nustar.caltech.edu/

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