Os astrônomos observaram pela primeira vez a borda externa do disco de matéria que circunda um buraco negro supermassivo em alimentação.
Estas observações podem 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 influencia a evolução das galáxias que albergam tais fenómenos.
Os buracos negros alimentadores estão no centro de regiões de brilho incrível chamadas núcleos galácticos ativos (AGN). Imediatamente em torno destes buracos negros, que podem ter milhões ou mesmo milhares de milhões de vezes mais massivos que o Sol, existe um disco giratório de gás e poeira que gradualmente alimenta o corpo supermassivo central.
O incrível efeito 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, infravermelho 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 forte, como os discos de acreção são relativamente pequenos e muitos estão localizados em galáxias incrivelmente distantes, é difícil observá-los diretamente. Mas, como alternativa, 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. Dinemara Dias dos Santos e Alberto Rodríguez Ardela 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.
A equipe viu, pela primeira vez, 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 da estrutura em forma de placa que se alimenta do buraco negro supermassivo, que foi determinado ter uma massa entre 400 e 500 vezes a massa do Sol.
“Esta descoberta dá-nos informações valiosas sobre a estrutura e o comportamento da região de banda larga nesta galáxia em particular, lançando luz sobre os fenómenos fascinantes que ocorrem em torno de buracos negros supermassivos em galáxias ativas,” Rodriguez-Ardela ele disse em um comunicado.
Excitação com comprimidos de acumulação
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 faz com que a luz seja liberada, uma vez que cada elemento possui um conjunto único de níveis de energia, comprimento de onda e energia característicos de um átomo de um determinado elemento.
Isso significa que essas emissões nos espectros de luz podem ajudar a identificar elementos da estrela, da atmosfera do planeta e, neste caso, do disco de acreção ao redor do buraco negro.
As linhas de emissão de estrelas e outras fontes aparecem como saliências finas no espectro, mas as condições violentas que rodeiam um 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 próximas 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 que se afasta.
Isso é semelhante ao que acontece aqui na Terra quando uma ambulância vem em sua direção nas ruas de uma cidade. As ondas sonoras da sirene se combinam, produzindo 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 sai 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 ampliadas e de pico duplo são vistas vindas da região interna do disco de acreção, elas não dão aos astrônomos 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 detectou inequivocamente dois perfis de pico duplo no infravermelho próximo na região da linha larga de III Zw 002, uma linha originada do hidrogênio da região interna do disco da linha larga e uma linha geradora de oxigênio no limite externo deste 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 essa aparência de pico duplo, mas quando reduzimos os dados, vimos o pico duplo muito claramente”, disse Rodriguez Ardilla. “Na verdade, reduzimos os dados várias vezes pensando que poderiam estar errados, mas sempre vimos o mesmo resultado emocionante.”
Isto ajudou a restringir o tamanho do disco de acreção, já que a equipe conseguiu ver que a linha do hidrogênio se origina a uma distância de 16,77 dias-luz do buraco negro supermassivo central, enquanto a linha do oxigênio se origina de um raio de 18,86 dias-luz. .
Os astrónomos também foram capazes de determinar o tamanho da região da linha larga e estimaram o seu raio exterior em 52,43 dias-luz. Além disso, a equipa conseguiu calcular que a região da linha larga do disco de acreção está inclinada num ângulo de 18 graus em relação à Terra.
A equipa continuará a observar o quasar III Zw 002, observando a mudança da sua imagem ao longo do tempo, bem como a utilização da luz infravermelha próxima para estudar outros AGNs.
A pesquisa foi publicada em agosto Cartas de revistas astrofísicas.
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