A dança de buracos negros supermassivos

Um estudo a longo prazo com dados de quatro telescópios, desde o rádio a altas frequências, penetrou no núcleo da muito discutida galáxia ativa OJ 287, revelando mais detalhes sobre o seu interior.

© NASA / JPL-Caltech (galáxia OJ 287)

O painel da esquerda mostra uma imagem ultravioleta profunda de OJ 287 e do seu ambiente obtida com o telescópio Swift. Esta é uma das imagens ultravioleta (UV) mais profundas daquela parte do céu alguma vez tirada, combinando 560 exposições individuais. A fonte mais brilhante no campo é OJ 287. A região do buraco negro binário, propriamente dita, não pode ser resolvida na imagem UV. O painel da direita representa uma ilustração do núcleo de OJ 287, incluindo o disco de acreção, o jato e um segundo buraco negro em órbita do buraco negro primário que tem uma massa de 100 milhões de massas solares.

Os resultados da equipe internacional, liderada por Stefanie Komossa do Instituto Max Planck para Radioastronomia, reforçam as evidências de um buraco negro binário e colocam novamente o buraco negro primário na "balança". 

Os blazares são uma classe especial de galáxias ativas caracterizadas por uma atividade elevada e luminosidade extrema. Os "motores" destas galáxias são buracos negros escondidos dentro dos seus núcleos, milhões a bilhões de vezes mais massivos do que o nosso Sol. 

Estes "motores" foram alimentados ao longo da história do Universo, especialmente quando as galáxias colidiam. A fusão subsequente das galáxias criou buracos negros binários supermassivos. O estudo de tais pares de buracos negros revela muito sobre a evolução das galáxias e sobre o crescimento dos buracos negros. 

OJ 287 é uma das melhores candidatas a acolher um buraco negro binário supermassivo e compacto. Uma indicação disto são as explosões excepcionais de radiação produzidas por processos no centro da galáxia, que se repetem a cada 11 a 12 anos. Cada explosão consiste em dois picos separados por cerca de um ano. Estas explosões repetidas são tão notáveis que vários modelos binários diferentes foram propostos e discutidos na literatura com o intuito de os explicar. 

A equipe reviu agora o modelo anteriormente preferido, finalizando uma campanha de observação sistemática e sem precedentes. No processo, os pesquisadores também determinaram diretamente, e pela primeira vez, a massa do buraco negro primário. Com 100 milhões de massas solares, é provavelmente cerca de cem vezes menor do que se pensava. A nova estimativa da massa do buraco negro parece também explicar toda a história dos surtos de radiação de OJ 287, que foram agora mapeadas com grande detalhe. 

A galáxia OJ 287 está demasiado longe para os telescópios resolverem o núcleo compacto em torno dos buracos negros suspeitos. Contudo, uma vez que esta região domina o brilho de toda a galáxia, a radiação que emerge do núcleo é facilmente detectável na Terra e permite aos astrônomos reconstruir, com algumas limitações, os processos escondidos no interior do núcleo brilhante. 

A matéria de um disco que rodeia o buraco negro e que se desloca para dentro perde energia gravitacional sob a forma de radiação óptica e UV. Um jato lançado dos arredores do "motor" central acelera as partículas para longe. Este fluxo de matéria muitas vezes altamente relativista emite radiação intensa que vai desde o rádio até aos raios X e raios gama. 

OJ 287 é um excelente laboratório para estudar os processos físicos que reinam num dos ambientes astrofísicos mais extremos: discos e jatos de matéria nas imediações de um ou dois buracos negros supermassivos, estudado através do projeto MOMO (Multiwavelength Observations and Modelling of OJ 287). Consiste em observações de alta cadência de OJ 287 em mais de 14 frequências, desde o rádio até às altas energias com a duração de anos, e acompanhamentos dedicados em múltiplas instalações terrestres e espaciais quando o blazar se encontra em estados excepcionais. 

Os surtos de OJ 287 podem ser explicados pelo modelo de um buraco negro binário, em particular pelo movimento do segundo buraco negro, de massa mais baixa, em órbita do buraco negro primário. Na sua órbita inclinada, perturba ou o jato ou o disco de matéria, provocando assim as explosões periódicas de OJ 287. 

As medições com o radiotelescópio de Effelsberg de 100 metros atribuem o surto mais recente diretamente ao jato. É como olhar para um foco luminoso que brilha mais do que tudo o que está por detrás dele. O modelo mais avançado que descreve os processos no centro de OJ 287 assumiu um buraco negro primário cem bilhões de vezes mais massivo do que o Sol.  De acordo com este modelo, o próximo surto teria tido lugar em outubro de 2022. Os dados reais não confirmaram esta previsão. Ao invés, graças à densa cobertura da campanha MOMO, os astrônomos descobriram este surto muito mais cedo, entre 2016 e 2017. 

Os pesquisadores reavaliaram então a massa do buraco negro primário. Ao que parece, o buraco negro é 100 vezes mais leve do que se pensava anteriormente. Como resultado, a órbita do buraco negro secundário em torno do buraco negro primário deveria oscilar muito menos. Este comportamento tem implicações diretas nas explosões previstas, que são agora consistentes tanto com medições histórias como recentes.

Os futuros observatórios espaciais poderão ser capazes de detectar ondas gravitacionais deste ou de sistemas binários semelhantes. Pode até ser possível resolver espacialmente os dois buracos negros em OJ 287 com uma grande rede de radiotelescópios, tal como o EHT (Event Horizon Telescope) ou o SKA (Square Kilometre Array), este ainda em construção. Esta seria a primeira detecção direta de um sistema íntimo constituído por dois buracos negros supermassivos no centro de uma galáxia. 

Foram publicados dois artigos científicos nos periódicos: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society e The Astrophysical Journal. 

Fonte: Max Planck Institute for Radio Astronomy

TESS observa o menor de um par de buracos negros

Vários grupos de pesquisa internacionais já confirmaram a teoria de que existem dois buracos negros no centro da distante galáxia OJ 287, sugerida pela primeira vez por astrônomos da Universidade de Turku, na Finlândia.

© NASA / JPL-Caltech (ilustração do par de buracos negros)

Um novo estudo mostra que observações de satélite, efetuadas em 2021, revelaram pela primeira vez o buraco negro menor do par. Em 2021, o caçador de exoplanetas TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) da NASA foi apontado para a galáxia OJ 287. 

O TESS foi concebido para descobrir milhares de exoplanetas em órbita das estrelas anãs mais brilhantes do céu. O TESS está encontrando planetas que vão desde pequenos mundos rochosos a planetas gigantes, mostrando a diversidade de planetas na Via Láctea. Até agora, encontrou 410 exoplanetas confirmados. 

Os pesquisadores encontraram evidências indiretas de que um buraco negro muito massivo, em OJ 287, está orbitando um buraco negro gigante 100 vezes maior. Para verificar a existência do buraco negro menor, o TESS monitorou o brilho do buraco negro primário e o jato a ele associado. A observação direta do buraco negro menor, orbitando o maior, é muito difícil, mas a sua presença foi revelada por uma súbita explosão de brilho. 

Este tipo de evento nunca tinha sido observado em OJ 287, mas o pesquisador Pauli Pihajoki, da Universidade de Turku, na Finlândia, previu o acontecimento na sua tese de doutorado já em 2014. De acordo com a sua tese, o próximo surto deveria ter lugar no final de 2021 e, no moneto, vários satélites e telescópios estavam focados no objeto. O satélite TESS detectou a esperada erupção no dia 12 de novembro de 2021, às 2 horas da manhã (GMT). O evento durou apenas 12 horas. Esta curta duração mostra que é muito difícil encontrar uma explosão de grande brilho, a menos que o seu momento seja conhecido com antecedência. A descoberta foi também confirmada pelo telescópio Swift da NASA, que também estava apontado para o mesmo alvo. 

A rápida explosão de brilho ocorreu quando o buraco negro menor "engole" uma grande fatia do disco de acreção que rodeia o buraco negro maior, transformando-o num jato de gás. O jato do buraco negro menor é então mais brilhante do que o do buraco negro maior durante cerca de doze horas. Isto torna a cor de OJ 287 menos avermelhada, ou amarela, em vez do vermelho normal. Após a explosão, a cor vermelha regressa. Os mesmos resultados podem ser inferidos a partir de outras características da luz emitida por OJ287 durante o mesmo período de tempo.

O buraco negro menor poderá em breve revelar a sua existência de outras formas, uma vez que se espera que emita ondas gravitacionais nano-Hertz. As ondas gravitacionais de OJ 287 devem ser detectáveis nos próximos anos por PTAs (pulsar timing arrays).

Foram publicados artigos nos periódicos The Astrophysical Journal Letters e The Astrophysical Journal.

Fonte: University of Turku

Decifrada a Pedra de Roseta dos núcleos galácticos ativos

Uma galáxia com pelo menos um buraco negro supermassivo ativo, denominada OJ 287, tem provocado muitas irritações e questões no passado.

© MPIA/Axel M. Quetz (ilustração da região central da galáxia ativa OJ 287 com um jato precessor)

A imagem acima mostra que a precessão pode ou ser provocada por um buraco negro binário ou por um disco de acreção desalinhado.

A radiação emitida por este objeto 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 supermassivo no seu centro. O objeto foi assim rotulado como a "Pedra de Roseta" dos núcleos galácticos ativos, expressando a esperança de que pudesse ser um objeto prototípico e, uma vez decifrado, pudesse explicar as propriedades fundamentais dos buracos negros ativos em geral.

Agora, uma equipe internacional de astrônomos liderada por pesquisadores do Instituto Max Planck descobriu que o núcleo galáctico ativo de OJ 287 gera um jato ligeiramente precessor numa escala de tempo de aproximadamente 22 anos. A precessão observada do jato 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 ativos.

Levamos 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 equipe de pesquisa decifrou agora o jato de uma galáxia que foi apelidada de Pedra de Roseta dos blazares. Os blazares são núcleos galácticos ativos onde um buraco negro supermassivo central está sendo alimentado.

A bem conhecida galáxia OJ 287, a uma distância de aproximadamente 3,5 bilhões de anos-luz, hospeda pelo menos um buraco negro supermassivo com a massa de milhões ou bilhões de sóis. O buraco negro supermassivo está ativo e produz um jato, uma corrente de plasma originária da região nuclear central na vizinhança do buraco negro. Este jato é observável no rádio. A galáxia é também um alvo na região do visível. 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 em rádio de muitas fontes de jatos e de muitos estudos sofisticados, os jatos permaneciam enigmáticos. Tradicionalmente, a origem das variações do brilho do jato, observadas no rádio, era atribuída ao mecanismo de alimentação do jato pelo sistema do buraco negro central. Por outro lado, as características móveis observadas nos jatos, chamadas nós, eram atribuídas a choques que viajam pelo jato. Os cientistas procuraram uma ligação entre os dois fenômenos, mas isso não podia ser feito de forma consistente até agora.

A equipe de pesquisa, liderada por Silke Britzen do Instituto Max Planck para Radioastronomia em Bonn, Alemanha, usou uma técnica de observação a fim de monitorar em detalhe o jato da OJ 287 perto do seu local de lançamento no buraco negro central. A técnica de radiointerferometria envolve radiotelescópios espalhados pelo globo com o objetivo de construir um monstruoso telescópio virtual com o diâmetro da Terra, capaz de observar detalhadamente os centros das galáxias e de observar jatos próximos do buraco negro central.

Considerando um grande conjunto de dados que abrangem um longo período de tempo, foi encontrado agora uma forte indicação de que ambos os fenômenos têm a mesma origem: ambos os tipos de observações podem ser explicados somente pelo movimento do jato. O jato, 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 jato muda. Foi realmente surpreendente quando descobrimos que não só o jato tem precessão, como parece também seguir um movimento menor semelhante a uma nutação. O movimento combinado de precessão-nutação leva à variabilidade no rádio e também pode explicar algumas das erupções de luz."

Britzen e a sua equipe 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 jato. 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 jato na OJ 287, a equipe indicou dois cenários possíveis. "Ou temos um sistema com dois buracos negros supermassivos, com o disco que expele o jato 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 jato da galáxia ativa OJ287 é um dos mais bem compreendidos até agora e certamente será usado para também decifrar outros jatos extragaláticos. Poderá até ajudar a desvendar ainda mais a atividade enigmática dos buracos negros supermassivos.

Os resultados foram publicados na revista científica Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Fonte: Royal Astronomical Society

Uma forte atividade óptica do blazar OJ287

O quasar OJ 287, situado a 3.5 mil milhões de anos-luz na direcção da constelação do Caranguejo, foi descoberto em meados dos anos 60 como uma fonte intensa de ondas de rádio.

© Caltech (ilustração de um quasar)

Um estudo subsequente de registos fotográficos desde 1887, mostrou que o objecto produz regularmente erupções durante as quais o seu brilho aparente atinge a magnitude 13, correspondente a uma magnitude absoluta de -27, ou uma luminosidade real 400 vezes superior à da Via Láctea inteira! Durante estas erupções o OJ287 pode ser observado com um telescópio de tamanho mediano, de 20 ou 25 cm de abertura.

Este tipo de erupções no espectro visível é invulgar entre os quasares e despertou o interesse dos astrónomos. Observações recentes indicam que o buraco negro super-maciço no centro do quasar é enorme, com uma massa estimada de 18 mil milhões de massas solares! Curiosamente, poderá não estar sozinho. As variações regulares no brilho sugerem que é orbitado por um outro buraco negro, mais pequeno, com “apenas” 100 milhões de massas solares, semelhante ao buraco negro central da Via Láctea, com uma periodicidade de 12 anos.

Observar visualmente estes objectos longínquos tem algo de mágico. Ao vê-los estamos a captar nas nossas retinas fotões que iniciaram a sua viagem de 3.5 mil milhões de anos pelo espaço inter-galáctico nas imediações do buraco negro central. É o mais próximo que conseguimos estar deles. No caso do OJ 287, a sua observação é bem simples pois é fácil de encontrar e está em erupção. Se quiser tentar, a sua viagem começa junto ao enxame de estrelas da Colmeia ou Messier 44.

Um quasar é composto por um buraco negro super-maciço e a sua região circundante, normalmente localizado no núcleo de uma galáxia. Quando um quasar está activo, o gás da galáxia (ou de outra galáxia durante uma colisão) é capturado pelo campo gravitacional do buraco negro e forma um disco de acreção em torno dele. O gás nesse disco orbita o buraco negro a alta velocidade e a fricção e o intenso campo electromagnético aquecem-no a temperaturas muito elevadas, provocando a emissão de radiação muito energética como raios gama, raios-X e raios ultravioleta.

Os quasares activos são os objectos mais luminosos do Universo. A radiação é emitida de forma particularmente intensa na direcção perpendicular ao disco. Nas outras direcções é absorvida por um toro de gás e poeiras na periferia do disco de acreção. De facto, crê-se que todas as galáxias activas têm quasares nos seus centros e que as suas diferenças de aspecto, quando observadas a partir da Terra, se devem ao facto de observarmos os seus quasares segundo diferentes perspectivas. Os quasares mais luminosos, como o OJ 287, são designados por blazars, e têm a particularidade do eixo perpendicular ao disco de acreção estar quase perfeitamente alinhado com a linha de visão da Terra e, por esse motivo, vemos o disco de acreção ultra-luminoso com uma obstrução mínima.

Fonte: Astronomical Observatory of the Jagiellonian University

A maior resolução alguma vez alcançada a partir da superfície da Terra

Com o auxílio do Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) e de outras instalações, a Colaboração Event Horizon Telescope (EHT) executou observações de teste com a mais alta resolução alguma vez obtida a partir da superfície da Terra.

© ESO/M. Kornmesser (ilustração das detecções de maior resolução)

Já houve observações astronômicas com maior resolução da galáxia OJ 287, mas obtidas através da combinação de sinais captados por telescópios no solo com um telescópio no espaço. As novas observações publicadas hoje são as de mais alta resolução obtidas utilizando apenas telescópios terrestres. 

Isto foi possível porque se detectou a radiação emitida por galáxias distantes a uma frequência de cerca de 345 GHz, o equivalente a um comprimento de onda de 0,87 mm. A Colaboração EHT estima que, no futuro, será capaz de obter imagens de buracos negros 50% mais pormenorizadas do que o que era possível até agora, tornando mais nítida a região imediatamente a seguir aos limites dos buracos negros supermassivos mais próximos. Será também possível obter imagens de mais buracos negros dos que os observados até agora.

A Colaboração EHT divulgou imagens de M87*, o buraco negro supermassivo situado no centro da galáxia M87, em 2019, e de Sgr A*, o buraco negro que se encontra no coração da nossa Galáxia, a Via Láctea, em 2022. Estas imagens foram obtidas através da ligação de vários observatórios rádio em todo o planeta, utilizando uma técnica chamada interferometria de linha de base muito longa (VLBI), para criar um único telescópio virtual do “tamanho da Terra”. 

Para obter imagens de maior resolução, os astrônomos recorrem, normalmente, a telescópios maiores ou a uma maior separação entre os observatórios que fazem parte do interferômetro. No entanto, como o EHT já é do tamanho da Terra, foi necessário utilizar uma abordagem diferente para aumentar a resolução das observações. Outra forma de aumentar a resolução de um telescópio consiste em observar a radiação emitida pelos objetos astronômicos num comprimento de onda mais curto. Foi isso mesmo que a Colaboração EHT fez.

Com o EHT, foram obtidas as primeiras imagens de buracos negros a partir de observações realizadas no comprimento de onda de 1,3 mm, no entanto o anel brilhante visto, formado pela curvatura da luz devido à gravidade do buraco negro, ainda estava desfocado porque estava no limite absoluto da nitidez das imagens. A 0,87 mm, as imagens apresentam-se mais nítidas e detalhadas, o que, por sua vez, irá provavelmente revelar novas propriedades destes objetos, tanto as que foram previamente previstas como outras que provavelmente não o foram. 

Em vez de ser utilizado o conjunto completo do EHT, os pesquisadores empregaram dois subconjuntos menores, ambos incluindo o ALMA e o Atacama Pathfinder EXperiment (APEX), situados no deserto do Atacama, no Chile. Outras infraestruturas utilizadas incluem o telescópio IRAM de 30 metros na Espanha, o NOrthern Extended Millimeter Array (NOEMA) na França, o Ttlescópio da Groenlândia e o Submillimeter Array no Havaí. 

Nesta experiência piloto, a Colaboração EHT conseguiu obter observações com uma resolução de 19 microssegundos de arco, o que corresponde à resolução mais elevada alguma vez obtida a partir da superfície da Terra. No entanto, não foram criadas imagens já que, apesar de terem sido realizadas detecções robustas da radiação emitida por várias galáxias distantes, não foram utilizadas antenas suficientes para se poder reconstruir com precisão uma imagem a partir dos dados coletados. 

Este teste técnico abriu uma nova janela para o estudo dos buracos negros. Com o conjunto completo, o EHT poderá observar detalhes tão pequenos como 13 microssegundos de arco, o equivalente a ver uma moeda na Lua a partir da Terra. Isto significa que a 0,87 mm será possível obter imagens com uma resolução de cerca de 50% superior à das imagens de 1,3 mm de M87* e SgrA* anteriormente publicadas. Para além disso, será provavelmente possível observar buracos negros mais distantes, menores e mais tênues do que os dois que já foram observados até agora.

Esta é a primeira vez que a técnica VLBI foi utilizada com sucesso em 0,87 mm. Embora a capacidade de observar o céu noturno a 0,87 mm já existisse antes destas novas detecções, a utilização da técnica VLBI neste comprimento de onda sempre apresentou desafios que exigiram tempo e avanços tecnológicos para serem ultrapassados. Por exemplo, o vapor de água na atmosfera absorve muito mais as ondas eletromagnéticas a 0,87 mm do que a 1,3 mm, dificultando a tarefa dos radiotelescópios de coletar sinais de buracos negros no comprimento de onda mais curto. Combinando este fato com a turbulência atmosférica cada vez mais pronunciada e a acumulação de ruído em comprimentos de onda mais curtos, assim como a incapacidade de controlar as condições meteorológicas globais durante observações atmosféricas sensíveis, o progresso do VLBI para os comprimentos de onda mais curtos, especialmente aqueles que passam para o submilimétrico, tem sido lento. 

Um artigo foi publicado no periódico The Astronomical Journal.

Fonte: ESO