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jul 21

H 1743-322: Buraco Negro faz a matéria oscilar ao seu redor

http://sci.esa.int/science-e-media/img/85/XMM-Newton_AI03_01_H1.jpg

Impressão de artística do XMM-Newton da ESA. Crédito: ESA

O observatório orbital de raios-X XMM-Newton da ESA provou a existência de um “vórtice gravitacional” envolvendo um buraco negro. A descoberta, também suportada pela missão NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array) da NASA, elucida um mistério que iludia os astrônomos há mais de três décadas e nos permitirá mapear o comportamento da matéria muito perto dos buracos negros. O achado também pode abrir as portas para futuras investigações sobre a teoria da relatividade geral de Albert Einstein.

A matéria que espirala em queda ao redor de um buraco negro se aquece à medida que mergulha para a sua destruição. Antes de passar para dentro do horizonte de eventos do buraco negro e se perder para sempre da vista externa, pode atingir milhões de graus. Quando atinge temperaturas nessa ordem de grandeza, passa a irradiar raios-X para o espaço.

Na década de 1980, os astrônomos pioneiros usando telescópios de raios-X das primeiras gerações descobriram que os raios-X provenientes de buracos negros de massa estelar, presentes em nossa Galáxia, cintilam. As variações seguem um padrão definido. Quando essa oscilação começa, entre o escurecimento e ressurgimento do brilho pode levar até 10 segundos o ciclo se completar. À medida que passam dias, semanas e meses, o período diminui até que a oscilação ocorre na ordem de 10 vezes por segundo. Ao chegar nesse nível, subitamente, a cintilação cessa completamente.

http://sci.esa.int/science-e-media/img/d9/Illustrations_of_gravitational_vortex_final.jpg

Esta impressão artística mostra o disco de acreção em redor de um buraco negro, no qual a região interior sofre precessão. “Precessão” significa que a órbita do material em redor do buraco negro muda de orientação. Nesta três imagens, o disco interior brilha com radiação altamente energética que atinge a matéria no disco de acreção em redor, fazendo com que os átomos de ferro emitam raios-X, tal como indicado no brilho do disco de acreção à direita (imagem a), em frente (imagem b) e à esquerda (imagem c). Créditos: ESA/ATG medialab

O tal fenômeno foi denominado OQPOscilação Quasi-Periódica (em inglês QPO – Quasi Periodic Oscillation).

Adam Ingram, membro da Universidade de Amsterdam, Holanda, que em 2009 começou a trabalhar na compreensão das OQPs durante sua tese de doutorado, disse:

Reconheceu-se imediatamente que era algo fascinante porque vinha de uma zona muito íntima de um buraco negro.

Durante a década de 1990, os cientistas começaram a suspeitar que as OQPs estavam associadas com um efeito gravitacional previsto pela relatividade geral de Einstein: que um objeto em rotação pode criar um tipo de vórtice gravitacional.

Adam Ingram explicou:

É similar a algo como torcer uma colher no mel. Imagine que o mel é o espaço e tudo o que está embebido no mel será ‘arrastado’ ao redor da colher. Na realidade, isto significa que qualquer coisa em órbita de um objeto giratório verá o seu movimento afetado.

No caso de uma órbita inclinada, esta irá sofrer uma “precessão”. Isto significa que toda a órbita vai mudar de orientação em torno do objeto central. O tempo que demora para a órbita voltar à sua condição inicial é conhecido como o ”ciclo de precessão”.

Em 2004, a NASA lançou a Gravity Probe B para medir o assim chamado efeito de Lense-Thirring em volta da Terra. Após uma análise meticulosa os cientistas confirmaram que a espaçonave iria completar um ciclo de precessão a cada 33 milhões de anos.

Entretanto, ao redor de um buraco negro, o efeito se tornaria muito mais perceptível devido ao muito gigantesco efeito do campo gravitacional. O ciclo de precessão levaria apenas uma questão de segundos ou até menos ser concluído. Estes valores são tão parecidos com os das OQPs que os astrônomos começaram a suspeitar de uma ligação entre os fenômenos.

Ingram começou a trabalhar no problema durante seu doutorado, observando o que aconteceria no disco plano de matéria ao redor de um buraco negro. Denominado “disco de acreção”, esse é o local onde a matéria em queda espirala gradualmente na direção do buraco negro. Os astrônomos desconfiavam que, próximo ao buraco negro, o disco de acreção plano “incha” em um plasma aquecido, no qual aos elétrons são extirpados de seus átomos. Denominado por “fluxo interno quente”, este diminui de tamanho ao longo de semanas e meses à medida que é “ingedido” pelo buraco negro. Ingram e seu time publicaram um artigo em 2009 que sugeria que a OQP era impulsionada pela precessão de Lense-Thirring deste “fluxo interno quente”. Isto porque quanto menor o fluxo interior, mais perto se aproxima do buraco negro e, portanto, mais rápido o ciclo Lense-Thirring se tornaria. A questão era: como provar isto?

Adam Ingram comentou: 

Nós passamos muito tempo tentando encontrar evidências conclusivas deste comportamento.

A resposta está no fluxo interno que emana radiação altamente energética a qual por sua vez atinge a matéria no disco de acreção em redor, fazendo com que os átomos de ferro presentes no disco brilhem de forma análoga a um tubo de luz fluorescente. Contudo, ao invés de brilhar na luz visível, o ferro irradia raios-X em um comprimento de onda único, ao qual nos referimos pelo nome de “linha espectral”.

Uma vez que o disco de acreção se encontra em rotação, a linha espectral de raios-X emanada pelo ferro tem seu comprimento de onda ser distorcido pelo efeito Doppler. A linha de emissão do lado do disco que gira na direção da Terra é “comprimida”, desviando-se para o azul, e a linha de emissão do lado do disco que gira na direção contrária é “alongada”, desviando-se para o vermelho. Se o fluxo interno está realmente em precessão então este vai, as vezes, brilhar no disco de material em aproximação e as vezes no material em recuo, fazendo com que a linha oscile para a frente e para trás ao longo de um ciclo de precessão.

Foi na observação desta oscilação que o XMM-Newton entrou em ação. Ingram e colegas de Amsterdam, Cambridge, Durham, Southampton e Tóquio, solicitaram uma observação de longa-duração que lhes permitisse ver a OQP repetidamente. Escolheram o buraco negro H 1743-322, que exibia na ocasião uma OQP de duração de quatro segundos. O time observou o objeto durante 260.000 segundos. Também o observaram durante 70.000 segundos com o Observatório de raios-X NuSTAR da NASA.

Adam Ingram destacou:

A capacidade de alta-energia do NuSTAR foi muito importante. O NuSTAR confirmou a oscilação na linha do ferro e adicionalmente vimos uma característica no espectro chamada ‘protuberância de reflexão’ que acrescenta mais evidências para a precessão.

Após um processo rigoroso de análise, que consistiu na consolidação de todos os dados observacionais, viram que a linha do ferro oscilava de acordo com as previsões da relatividade geral. Conforme Adam Ingram:

Estamos medindo indiretamente o movimento de matéria sob um forte campo gravitacional perto de um buraco negro.

Esta foi a primeira vez em que se mediu o efeito Lense-Thirring sob um campo gravitacional muito intenso. A técnica permitirá aos astrônomos mapearem a matéria nas regiões interiores dos discos de acreção em torno de buracos negros. Também sugere uma nova e poderosa ferramenta para confirmar e testar a relatividade geral.

A teoria da relatividade geral de Einstein tem permanecido praticamente não testada em campos gravitacionais tão fortes como este. Por essa razão, se os astrônomos puderem compreender a física da matéria que flui para o buraco negro, poderão então testar as previsões da relatividade geral como nunca antes se fez, mas só se o movimento da matéria no disco de acreção puder ser completamente compreendido.

Adam Ingram comentou:

Se conseguirmos esmiuçar a astrofísica, podemos testar verdadeiramente a relatividade geral.

Se medido, um eventual desvio das previsões da relatividade geral seria bem-recebido por uma grande quantidade de astrônomos e físicos. Será um sinal concreto de que existe uma teoria mais profunda da gravidade.

Os observatórios maiores de raios-X poderão no futuro ajudar na pesquisa porque com maior potência poderão recolher raios-X de forma mais eficiente. Isto permitirá com que os astrônomos investiguem o fenômeno da OQP em mais detalhe. Mas, por agora, os astrônomos podem contentar-se em ter visto o papel da gravidade de Einstein em redor de um buraco negro.

Norbert Schartel, cientista do projeto XMM-Newton da ESA, concluiu:

Este é um grande avanço, pois o estudo combina informação acerca dos tempos e da energia dos fotões de raios-X para encerrar o debate de 30 anos em torno da origem das OQPs. A capacidade de recolhimento de fótons do XMM-Newton foi fundamental para este trabalho.

Os resultados reportados aqui foram publicados no artigo intitulado “A quasi-periodic modulation of the iron line centroid energy in the black hole binary H 1743-322“, assinado por Adam Ingram et al., publicado em Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Fonte

ESA: GRAVITATIONAL VORTEX PROVIDES NEW WAY TO STUDY MATTER CLOSE TO A BLACK HOLE

Artigo Científico

MNRAS: A quasi-periodic modulation of the iron line centroid energy in the black hole binary H1743−322

._._.

1607.02866v1-A-quasi-periodic-modulation-of-the-iron-line-centroid-energy-in-the-black-hole-binary-H-1743-322

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