O enigma da rotação dos buracos negros

Dois observatórios de raios X, o Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) da NASA e o SMM-Newton da ESA, mediram de forma definitiva, pela primeira vez, a taxa de rotação de um buraco negro com uma massa equivalente a 2 milhões de vezes a do Sol.

© JPL (ilustração de um buraco negro)

O buraco negro supermassivo localiza-se no coração repleto de gás e poeira da galáxia conhecida como NGC 1365, e está girando a uma velocidade quase tão rápida quanto a permitida pela teoria da gravidade de Einstein.

© SSRO (galáxia NGC 1365)

A descoberta resolve um debate de longa data na astronomia sobre medidas similares feitas em outros buracos negros e levarão a entender melhor como eles e as galáxias se desenvolvem.

“Isso é muito importante para o campo da ciência dos buracos negros”, disse Lou Kaluzienski, um cientista do programa NuSTAR na sede da NASA em Washington.

As observações também funcionam como um poderoso teste para a teoria da relatividade geral de Einstein, que diz que a gravidade pode curvar o espaço-tempo, a fábrica que forma o nosso Universo, e a luz que viaja através dela.

“Nós podemos traçar a matéria à medida que colapsa em rotação na direção do buraco negro, usando os raios X emitidos das regiões muito próximas do objeto”, disse a coautora do novo estudo, Fiona Harrison, pesquisadora principal do NuSTAR e sediada no Instituto de Tecnologia da Califórnia em Pasadena. “A radiação que nós observamos é dobrada e distorcida pelos movimentos das partículas e pela extrema gravidade do buraco negro”.

O NuSTAR, da missão Explorer, lançada em Junho de 2012, foi desenhado para detectar os raios X de mais alta energia e em grande detalhe. Ele complementa telescópios que observam raios X de baixa energia como o XMM-Newton e como o observatório de raios X Chandra, da NASA. Os cientistas usam esses e outros telescópios para estimar a taxa com a qual os buracos negros executam o seu movimento de rotação.

Até agora, essas medidas não eram certas pois as nuvens de gás podiam obscurecer os buracos negros confundindo os resultados. Com a ajuda do XMM-Newton, o NuSTAR foi capaz de ver um intervalo muito maior de energias de raios X e penetrar profundamente na região localizada ao redor do buraco negro. Os novos dados demonstram que os raios X não estão sendo dobrados pelas nuvens, mas sim pela tremenda gravidade do buraco negro. Isso prova que a taxa de rotação dos buracos negros supermassivos pode ser determinada de forma conclusiva.

© JPL (setor do espectro eletromagnético do XMM-Newton e NuSTAR)

“Se eu pudesse adicionar um instrumento ao XMM-Newton, esse instrumento seria um telescópio como o NuSTAR”, disse Norbert Schartel, cientista de Projeto do XMM-Newton do Centro da Agência Espacial Europeia em Madrid. “Os raios X de alta energia fornecem uma peça essencial para resolver esse problema”.

Medir a rotação de um buraco negro supermassivo é fundamental para entender sua história passada e da sua galáxia hospedeira também.

“Esses monstros, com massas de milhões a bilhões de vezes a massa do Sol, são formados como pequenas sementes no início do Universo e crescem engolindo estrelas e gás de suas galáxias hospedeiras, fundindo-se com outros buracos negros gigantes quando as galáxias colidem, ou ambos”, disse o autor principal do estudo Guido Risaliti do Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics em Cambridge, Mass., e do Italian National Institute for Astrophysics.

Os buracos negros supermassivos são envoltos por discos de acreção, formados à medida que a sua gravidade puxa matéria para o seu interior. A teoria de Einstein prevê que quanto mais rápido um buraco negro gira, mais próximo do buraco negro o disco de acreção se localiza, e a gravidade do buraco negro irá dobrar o jato de luz de raio X que expeliu do disco.

Os astrônomos procuram por esses efeitos de dobras para analisar os raios X emitidos pelo ferro circulando no disco de acreção. Nesse novo estudo, eles usaram tanto o XMM-Newton, como o NuSTAR de forma simultânea para observar o buraco negro na NGC 1365. Enquanto que o XMM-Newton revelou que a luz do ferro estava sendo dobrada, o NuSTAR provou que essa distorção era proveniente da gravidade do buraco negro e não das nuvens de gás na sua vizinhança. Os dados do NuSTAR sobre os raios X de alta energia  mostraram que o ferro estava tão perto do buraco negro que a gravidade deveria causar esse efeito de dobra.

Com a possibilidade do obscurecimento das nuvens descartado, os cientistas podem agora usar as distorções na assinatura do ferro para medir a taxa de rotação do buraco negro. As descobertas podem ser aplicadas a alguns outros buracos negros, removendo assim as incertezas nas medidas anteriores da taxa de rotação dos mesmos.

Fonte: JPL e Nature