Flashes de raios X de um buraco negro supermassivo próximo aceleram misteriosamente

A sua fonte pode ser o núcleo de uma estrela morta que oscila na borda do buraco negro, relatam astrónomos do MIT.

Um buraco negro supermassivo manteve os astrónomos colados aos seus telescópios durante os últimos anos. Primeiro veio um desaparecimento surpresa e agora, um ato giratório precário.

O buraco negro em questão é o 1ES 1927+654, que tem a massa de um milhão de sóis e fica numa galáxia a 270 milhões de anos-luz de distância. Em 2018, astrónomos do MIT e de outros locais observaram que a coroa do buraco negro – uma nuvem de plasma giratório e incandescente – desapareceu subitamente, antes de se recompor meses mais tarde. O breve, porém dramático, desligamento foi o primeiro na astronomia dos buracos negros.

Membros da equipe do MIT capturaram agora o mesmo buraco negro exibindo um comportamento mais sem precedentes.

Os astrônomos detectaram flashes de raios X vindos do buraco negro em um ritmo cada vez maior. Durante um período de dois anos, os flashes, em frequências de milihertz, aumentaram de 18 para 7 minutos. Esta aceleração dramática dos raios X não tinha sido observada até agora num buraco negro.

Os pesquisadores exploraram uma série de cenários que poderiam explicar os flashes. Eles acreditam que o culpado mais provável é uma anã branca em rotação – um núcleo extremamente compacto de uma estrela morta que orbita em torno do buraco negro e se aproxima precariamente do seu horizonte de eventos, a fronteira além da qual nada pode escapar à atração gravitacional do buraco negro. Se for esse o caso, a anã branca deve estar realizando um impressionante ato de equilíbrio, já que poderia estar chegando até a borda do buraco negro sem realmente cair dentro dele.

“Esta seria a coisa mais próxima que conhecemos de qualquer buraco negro”, diz Megan Masterson, estudante de física no MIT, que co-liderou a descoberta. “Isto diz-nos que objetos como as anãs brancas podem viver muito perto de um horizonte de eventos durante um período de tempo relativamente prolongado.”

Os pesquisadores apresentam suas descobertas hoje na 245ª reunião da Sociedade Astronômica Americana.

Se uma anã branca estiver na origem do brilho misterioso do buraco negro, também emitiria ondas gravitacionais, num alcance que seria detectável pelos observatórios da próxima geração, como a Antena Espacial de Interferómetro Laser (LISA) da Agência Espacial Europeia.

“Estes novos detectores foram concebidos para detectar oscilações na escala de minutos, por isso este sistema de buraco negro está nesse ponto ideal,” afirma a co-autora Erin Kara, professora associada de física no MIT.

Os outros coautores do estudo incluem os membros do MIT Kavli, Christos Panagiotou, Joheen Chakraborty, Kevin Burdge, Riccardo Arcodia, Ronald Remillard e Jingyi Wang, juntamente com colaboradores de várias outras instituições.

Nada normal

Kara e Masterson fizeram parte da equipe que observou 1ES 1927+654 em 2018, quando a coroa do buraco negro escureceu e depois se reconstruiu lentamente ao longo do tempo. Durante algum tempo, a coroa recém-reformada – uma nuvem de plasma e raios X altamente energéticos – foi o objeto emissor de raios X mais brilhante no céu.

“Ainda estava extremamente brilhante, embora não fizesse nada de novo há alguns anos e estivesse meio que gorgolejando. Mas sentimos que tínhamos que continuar monitorando porque era muito bonito”, diz Kara. “Então notamos algo que nunca foi visto antes.”

Em 2022, a equipe analisou observações do buraco negro feitas pelo XMM-Newton da Agência Espacial Europeia, um observatório espacial que detecta e mede emissões de raios X de buracos negros, estrelas de nêutrons, aglomerados galácticos e outras fontes cósmicas extremas. . Eles notaram que os raios X do buraco negro pareciam pulsar com frequência crescente. Tais “oscilações quase periódicas” só foram observadas em alguns outros buracos negros supermassivos, onde flashes de raios X aparecem com frequência regular.

No caso de 1ES 1927+654, a oscilação pareceu aumentar constantemente, de cada 18 minutos para cada sete minutos ao longo de dois anos.

“Nunca vimos esta variabilidade dramática na velocidade com que pisca”, diz Masterson. “Isto não se parecia em nada com um buraco negro supermassivo normal.”

O fato de o flash ter sido detectado na faixa de raios X aponta para a forte possibilidade de a fonte estar em algum lugar muito próximo do buraco negro. As regiões mais internas de um buraco negro são ambientes de energia extremamente alta, onde os raios X são produzidos por plasma quente e em rápido movimento. É menos provável que os raios X sejam vistos a distâncias maiores, onde o gás pode circular mais lentamente num disco de acreção. O ambiente mais frio do disco pode emitir luz óptica e ultravioleta, mas raramente emite raios X.

“Ver algo nos raios X já indica que você está muito perto do buraco negro”, diz Kara. “Quando você vê a variabilidade na escala de tempo de minutos, isso está perto do horizonte de eventos, e a primeira coisa que sua mente pensa é o movimento circular e se algo poderia estar orbitando ao redor do buraco negro.”

Levantamento de raios X

O que quer que tenha produzido os flashes de raios X o fez a uma distância extremamente próxima do buraco negro, que os investigadores estimam estar a alguns milhões de quilómetros do horizonte de eventos.

Masterson e Kara exploraram modelos para vários fenómenos astrofísicos que poderiam explicar os padrões de raios X que observaram, incluindo uma possibilidade relacionada com a coroa do buraco negro.

“Uma ideia é que esta coroa está a oscilar, talvez a flutuar para a frente e para trás, e se começar a encolher, essas oscilações tornam-se mais rápidas à medida que as escalas ficam menores”, diz Masterson. “Mas estamos nos estágios iniciais de compreensão das oscilações coronais.”

Outro cenário promissor, e que os cientistas têm uma melhor compreensão em termos da física envolvida, tem a ver com a temerária anã branca. De acordo com a sua modelagem, os investigadores estimam que a anã branca poderia ter cerca de um décimo da massa do Sol. Em contraste, o próprio buraco negro supermassivo tem cerca de 1 milhão de massas solares.

Quando qualquer objeto chega tão perto de um buraco negro supermassivo, espera-se que ondas gravitacionais sejam emitidas, arrastando o objeto para mais perto do buraco negro. À medida que se aproxima, a anã branca move-se a um ritmo mais rápido, o que pode explicar a frequência crescente das oscilações de raios-X que a equipa observou.

A anã branca está praticamente à beira do não retorno e estima-se que esteja a apenas alguns milhões de quilômetros do horizonte de eventos. No entanto, os investigadores prevêem que a estrela não cairá. Embora a gravidade do buraco negro possa puxar a anã branca para dentro, a estrela também está a libertar parte da sua camada exterior para dentro do buraco negro. Esta libertação atua como um pequeno retrocesso, de modo que a anã branca – um objeto incrivelmente compacto – consegue resistir a cruzar a fronteira do buraco negro.

“Como as anãs brancas são pequenas e compactas, são muito difíceis de separar, por isso podem estar muito próximas de um buraco negro”, diz Kara. “Se este cenário estiver correto, esta anã branca está bem no ponto de viragem e poderemos vê-la afastar-se ainda mais.”

A equipa planeia continuar a observar o sistema, com telescópios existentes e futuros, para compreender melhor a física extrema em ação nos ambientes mais internos de um buraco negro. Eles estão particularmente entusiasmados para estudar o sistema assim que o detector de ondas gravitacionais baseado no espaço LISA for lançado – atualmente planejado para meados da década de 2030 – já que as ondas gravitacionais que o sistema deverá emitir estarão em um ponto ideal que o LISA poderá detectar claramente.

“A única coisa que aprendi com esta fonte é nunca parar de olhar para ela, porque provavelmente nos ensinará algo novo”, diz Masterson. “O próximo passo é apenas manter os olhos abertos.”