Os astrônomos observaram pela primeira vez a borda externa do disco de matéria que circunda um buraco negro supermassivo em alimentação.
Estas observações poderão ajudar os cientistas a medir melhor as estruturas que rodeiam estes monstros cósmicos, a compreender como os buracos negros se alimentam dessas estruturas e a compreender como esta alimentação afeta a evolução das galáxias que albergam tais fenómenos.
Os buracos negros que se alimentam estão localizados no coração de regiões de brilho incrível chamadas núcleos galácticos ativos (AGN). Diretamente em torno destes buracos negros, que podem ter milhões ou mesmo milhares de milhões de vezes mais massivos que o Sol, existe um disco rotativo de gás e poeira que é gradualmente alimentado no corpo supermassivo central.
A incrível influência gravitacional desses buracos negros supermassivos faz com que a matéria nos discos de acreção atinja temperaturas de até 18 milhões de graus Fahrenheit (10 milhões de graus Celsius). Isso faz com que a estrutura emita radiação em todo o espectro eletromagnético, desde raios gama e raios X de alta energia até luz visível, luz infravermelha e ondas de rádio. Estas emissões de núcleos galácticos activos, também chamados quasares, podem ser tão brilhantes que ofuscam a luz combinada de cada estrela nas galáxias circundantes.
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No entanto, mesmo com este resultado poderoso, como os discos de acreção são relativamente pequenos e muitos deles estão localizados em galáxias incrivelmente distantes, é difícil observá-los diretamente. Mas, alternativamente, os astrónomos podem usar todo o espectro de luz do disco de acreção para compreender a sua física e até determinar o seu tamanho.
Essa é a técnica adotada por uma equipe liderada por pesquisadores do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais do Brasil. Denimara Dias dos Santos e Alberto Rodríguez Ardila estudaram o disco de acreção de um quasar distante, III Zw 002, localizado no coração da galáxia Messier 106 (M 106). M 106 vive a cerca de 24 milhões de anos-luz da Terra, na constelação de Canes Venatic.
Pela primeira vez, a equipe viu linhas de emissão no infravermelho próximo no espectro de luz proveniente do disco de acreção deste quasar. Estas linhas ajudaram os investigadores a determinar o tamanho desta estrutura em forma de placa da qual se alimenta o buraco negro supermassivo, cuja massa foi determinada entre 400 e 500 vezes a massa do Sol.
“Esta descoberta dá-nos informações valiosas sobre a estrutura e o comportamento da região da barra nesta galáxia em particular, destacando os fenómenos fascinantes que ocorrem em torno de buracos negros supermassivos em galáxias ativas”, disse Rodriguez-Ardila. Ele disse em um comunicado.
Excitação em acumular comprimidos
Linhas de emissão como a que a equipe estudou ocorrem quando um átomo absorve energia e adota o que os físicos chamam de “estado excitado”. Eventualmente, esses átomos devem retornar ao seu estado de energia mais baixo, ou “estado fundamental”. Essa queda para o estado fundamental libera luz que, como cada elemento possui um conjunto único de níveis de energia, possui comprimento de onda e energia característicos do átomo de um determinado elemento.
Isso significa que essas emissões nos espectros de luz podem ajudar a identificar elementos na estrela, na atmosfera do planeta e, neste caso, no disco de acreção ao redor do buraco negro.
As linhas de emissão de estrelas e outras fontes assumem a forma de finas cristas no espectro, mas as condições violentas em torno do buraco negro supermassivo fazem com que as linhas de emissão do disco de acreção adotem uma aparência diferente.
À medida que a matéria perto do buraco negro supermassivo acelera a velocidades que se aproximam da velocidade da luz, as linhas de emissão associadas alargam-se e assumem picos mais rasos. A região de onde vêm essas emissões é chamada de região ampla do disco de acreção.
Quando um lado do disco de acreção se move em direção à Terra, o outro lado se afasta. Isso resulta em comprimentos de onda curtos de luz no lado que gira em nossa direção e comprimentos de onda mais longos de luz no lado do disco de acreção se afastando.
Isso é semelhante ao que acontece aqui na Terra quando uma ambulância vem em sua direção nas ruas de uma cidade. As ondas sonoras das sirenes se combinam, criando um som de comprimento de onda curto e um som de alta frequência. À medida que a ambulância se afasta, as ondas sonoras se expandem e a frequência da sirene diminui.
Este fenômeno é chamado de deslocamento Doppler e, para a luz que emerge do disco de acreção, causa o aparecimento de dois picos – um no lado que se afasta da Terra e outro no lado que se move rapidamente em direção à Terra.
Quando estas emissões amplas e de pico duplo são observadas provenientes da região interna do disco de acreção, não dão aos astrónomos nenhuma pista sobre o tamanho dos discos de acreção. No entanto, se essas linhas pudessem ser vistas da borda externa, elas seriam.
Esta equipe de astrônomos fez a descoberta inequívoca de dois perfis de pico duplo no infravermelho próximo na região da linha larga de III Zw 002, uma linha originada do hidrogênio de uma região interna do disco da região da linha larga e uma linha geradora de oxigênio no limite externo desta região.
As linhas de emissão foram encontradas em dados coletados pelo Gemini Near-Infrared Spectrograph (GNIRS), que é capaz de observar todo o espectro do infravermelho próximo simultaneamente. Isso permitiu à equipe capturar um espectro único, limpo e continuamente calibrado do quasar.
“Antes não sabíamos que o III Zw 002 tinha esta aparência de pico duplo, mas quando reduzimos os dados, vimos o pico duplo muito claramente”, disse Rodriguez-Ardila. “Na verdade, reduzimos os dados várias vezes pensando que poderiam estar errados, mas sempre vimos o mesmo resultado dramático.”
Isto ajudou a restringir o tamanho do disco de acreção, já que a equipa conseguiu ver a linha de hidrogénio vindo de uma distância de 16,77 dias-luz do buraco negro supermassivo central, enquanto a linha de oxigénio se origina num raio de 18,86 dias-luz.
Os astrónomos também foram capazes de determinar o tamanho da região da linha larga, estimando o seu raio exterior em 52,43 dias-luz. Além disso, a equipe conseguiu calcular que a região da linha larga do disco de acreção está inclinada em um ângulo de 18 graus em relação à Terra.
A equipe continuará monitorando o quasar III Zw 002, observando a mudança de sua imagem ao longo do tempo, bem como usando luz infravermelha próxima para estudar outros núcleos galácticos ativos.
A pesquisa foi publicada em agosto em Cartas de revistas astrofísicas.
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