Raios X assinalam buracos negros através do oceano cósmico

Como redemoinhos no oceano, os buracos negros giratórios no espaço criam uma torrente rodopiante em seu redor.

© NASA/Chandra (efeito de lente gravitacional em quatro quasares)

No entanto, os buracos negros não criam redemoinhos de vento ou água. Ao invés, produzem discos de gás e poeira aquecidos a centenas de milhões de graus que brilham em raios X.

Usando dados do observatório de raios X Chandra da NASA e alinhamentos fortuitos ao longo de bilhões de anos-luz, os astrônomos utilizaram uma nova técnica para medir a rotação de cinco buracos negros supermassivos. A matéria num destes vórtices cósmicos gira a mais de 70% da velocidade da luz.

Os astrônomos tiraram proveito de um fenômeno natural conhecido como lente gravitacional. Com o alinhamento certo, a flexão do espaço-tempo por um objeto massivo, como por exemplo uma galáxia grande, pode ampliar e produzir imagens múltiplas de um objeto distante, como previsto por Einstein.

Nesta mais recente investigação, através do Chandra e do efeito de lentes gravitacionais foi possível estudar seis quasares, cada um consistindo de um buraco negro supermassivo que consome rapidamente matéria de um disco de acreção circundante. O efeito da lente gravitacional de cada um destes quasares, por uma galáxia interveniente, criou várias imagens de cada quasar, como visto nestas imagens do Chandra de quatro dos alvos. Para separar as imagens de cada quasar foi necessária a capacidade do Chandra em obter imagens muito detalhadas.

O principal avanço feito pelos pesquisadores neste estudo foi que tiraram proveito das "microlentes", onde estrelas individuais na galáxia interveniente forneceram uma ampliação adicional da luz do quasar. Uma ampliação maior significa que uma região menor está produzindo a emissão de raios X.

Os cientistas, seguidamente, usaram a propriedade de que um buraco negro giratório arrasta o espaço em seu redor e permite que a matéria orbite mais perto do buraco negro do que é possível para um buraco negro não giratório. Portanto, uma região emissora menor, correspondente a uma órbita rígida, geralmente implica um buraco negro com maior rotação. Os autores concluíram, a partir da sua análise de microlentes, que os raios X vêm de uma região tão pequena que os buracos negros devem estar girando muito depressa.

Os resultados mostraram que um dos buracos negros, no quasar de lente chamado "Cruz de Einstein", está girando próximo do ritmo máximo possível. Isto corresponde ao horizonte de eventos, o ponto de não retorno do buraco negro, girando à velocidade da luz, 300.000 km/s. Quatro outros buracos negros na amostra estão girando, em média, a cerca de metade desta velocidade.

Para a Cruz de Einstein a emissão de raios X é de uma parte do disco inferior a 2,5 vezes o tamanho do horizonte de eventos, e para os outros 4 quasares os raios X vêm de uma região com quatro a cinco vezes o tamanho do horizonte de eventos.

Como é que estes buracos negros podem girar tão depressa? Os pesquisadores pensam que estes buracos negros supermassivos cresceram, provavelmente, acumulando a maior parte do seu material ao longo de bilhões de anos a partir de um disco de acreção com orientação e direção de rotação semelhantes, em vez de direções aleatórias. Como um carrossel que continua sendo empurrado na mesma direção, os buracos negros continuaram ganhando velocidade.

Os raios X detectados pelo Chandra são produzidos quando o disco de acreção em torno do buraco negro cria uma nuvem, ou coroa, com vários milhões de graus, acima do disco perto do buraco negro. Os raios X desta coroa são refletidos da orla interna do disco de acreção e as fortes forças gravitacionais perto do buraco negro distorcem o espectro refletido de raios X, isto é, a quantidade de raios X vistos com diferentes energias. As grandes distorções vistas nos espectros de raios X dos quasares aqui estudados implicam que a orla interna do disco deve estar próxima dos buracos negros, mais evidências de que devem estar girando depressa.

Os quasares estão localizados a distâncias que variam de 8,8 a 10,9 bilhões de anos-luz, e os buracos negros têm massas entre 160 e 500 milhões de vezes a do Sol. Estas observações de quasares sob o efeito de lentes gravitacionais foram as mais longas já feitas com o Chandra, com tempos totais de exposição que variam entre 1,7 e 5,4 dias.

O artigo que descreve estes resultados foi publicado na revista The Astrophysical Journal.

Fonte: Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics