Astrônomos flagram pela primeira vez uma ejeção de raios-X em um Buraco Negro

Observações de raios-X sugerem que flares acontecem quando a "atmosfera" de um buraco negro contrai e se lança para longe dele.

Ilustração artística mostra um buraco negro supermassivo rodeado por um disco de de acreção. O brilho púrpura representa a corona, que contém partículas altamente energéticas que geram luz de raios-X. Observações de raios-X sugerem que, quando um buraco negro aparece incendiando-se em raios-X, é realmente a corona que está mudando. A corona se contrai (à esquerda), tornando-se mais brilhante, antes de atirar-se para longe do buraco negro (meio e direita). Os astrônomos não sabem por que as coronas mudam, mas eles aprenderam que este processo leva a um aumento do brilho da luz de raios-X que pode ser observado por telescópios. NASA / JPL-Caltech

Os buracos negros são, paradoxalmente, alguns dos objetos mais brilhantes do universo. Não são os próprios buracos negros que são brilhantes; são suas comitivas. Ao redor dessas deformações de espaço-tempo estão brilhantes discos de gás quente, que podem alimentar explosões de jatos em chamas.

Os astrônomos vêem regularmente buracos negros incendiar-se, mas eles não tem realmente certeza por que estes flares acontecem. Novas observações de raios-X sugerem que estas ondas brilhantes são uma espécie de efeito óptico criado por mudanças em uma estrutura misteriosa chamada de corona.

A corona é uma névoa de elétrons de alta energia que paira sobre o buraco negro e seu disco de acreção. Os elétrons ao redor são agitados com tanta energia que quando colidem com fótons de ultravioleta voando para longe do disco, eles dão um pontapé poderoso que transforma esses fótons em raios-X. Estes raios-X, por sua vez refletem para fora do disco de acreção, levando embora as impressões digitais espectrais a partir do disco que revelam coisas como o quão rápido o buraco negro está girando.

Embora os astrônomos saibam que a corona está lá, eles não sabem exatamente com o que ela se parece. Estima-se que elas poderiam ser como uma "lâmpada" compacta brilhando no disco, uma nuvem estendida, ou, roubando uma metáfora do comunicado de imprensa do JPL, um sanduíche com pão em ambos os lados do presunto do disco.

Dan Wilkins (Universidade Saint Mary, Canadá) e seus colegas exploraram o que faz um surto energético desse tipo acontecer, observando o buraco negro ativo no centro da galáxia Markarian 335, que fica a cerca de 350 milhões de anos-luz de distância na constelação de Pegasus. Mrk 335 é bem conhecida por seu brilho, sua emissão de raios-X subindo e descendo no capricho. Observações anteriores têm sugerido que essas mudanças vêm com mudanças na estrutura da corona.

A equipe usou os telescópios espaciais Swift e NUSTAR para observar como a emissão de raios-x da Mrk 335 mudou durante uma crise que durou um mês, em setembro de 2014. Eles observaram que, embora a coroa fosse brilhante e compactoa durante a descida, o disco estava refletindo menos de metade dos raios-X esperados. A corona estava claramente produzindo raios-X, mas, por algum motivo, a maioria destes fótons não atingem o disco.

A equipe acredita que, antes de um surto, a corona se espalha em toda a superfície do disco. Em seguida, ela se reúne, como um gato preparando-se  para primavera - exceto em vez de uma bola de pêlos e unhas - contraem-se em uma estrutura como jatos verticais. Esta corona compacta, em seguida, lança-se para fora do disco em cerca de 20% da velocidade da luz.

Aqui é onde os chutes da física moderna surgem: quando um objeto se move em frações justas da velocidade da luz, feixes de sua radiação incidem em direção que ele está se movendo - o que, neste caso, está longe do disco. O efeito é chamado radiante relativista. Assim, embora a corona ainda esteja efetivamente brilhando em raios-X, a maioria desses raios-X não estão apontados para o disco e por isso não estão refletindo fora dele. Além disso, uma vez que a corona esteja agora mais longe do buraco negro, a maioria dos fótons podem escapar da gravidade do buraco negro e chegarem até nós.

O alargamento termina quando o jato da coroa colapsa de volta para o disco.

Isso levanta a questão: por que a corona lança-se para fora do disco? Os astrónomos não sabem. Talvez a taxa de acreção suba, usando a energia gravitacional disponível para fazer as coisas acontecerem. Talvez estruturas magnéticas do sistema de disco-corona se soltem. Ou talvez instabilidades no disco ou na corona desencadeiam a contração e lançamento.

Referência: D. R. Wilkins et al. “Flaring from the supermassive black hole in Mrk 335 studied with Swift and NuSTAR.” Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. December 21, 2015 (online October 30, 2015). Traduzido e adaptado de Sky and Telescope