Chandra e XMM Newton fornecem medições diretas da rotação de um Buraco Negro distante

Múltiplas imagens do distante quasar conhecido como RX J1131-1231 são visíveis aqui a partir de dados combinados a partir do Chandra (em rosa) e do Hubble (vermelho, verde e azul). Créditos: NASA/CXC/Univ of Michigan/R.C.Reis et al; no visível: NASA/STSc

Astrônomos usaram os observatórios espaciais de raios-X Chandra da NASA e o XMM-Newton da ESA para mostrar que um buraco negro supermassivo que reside a seis bilhões de anos-luz da Terra gira muito rapidamente. A primeira medição direta da rotação de um buraco negro tão distante é um avanço importante para a compreensão de como os buracos negros crescem ao longo do tempo.

Os buracos negros (com carga elétrica total nula) podem ser definidos por apenas duas características físicas simples: massa e rotação (o teorema “Buracos negros não tem cabelos” do famoso astrofísico John Wheeler) [1].

Embora os astrônomos tenham sido capazes de medir as massas dos buracos negros de forma bastante eficaz, a determinação da sua rotação (momento angular) tem sido muito mais difícil.

Na última década, os astrônomos têm descoberto maneiras de estimar as rotações dos buracos negros a distâncias superiores a vários bilhões de anos-luz de distância, ou seja, vemos a região em torno dos buracos negros como eram há bilhões de anos. No entanto, a determinação das rotações destes buracos negros remotos envolve vários passos intermediários, os quais dependem uns dos outros.

Como afirma Rubens Reis da Universidade de Michigan em Ann Arbor, que liderou um artigo descrevendo este resultado, publicado recentemente na revista Nature:

Nós queremos ser capazes de cortar o intermediário, por assim dizer, de determinar a rotação dos buracos negros em todo o Universo.

Lente gravitacional ajudou na descoberta

Rubens Reis e sua equipe determinaram a rotação de um buraco negro supermassivo que está acumulando gás, produzindo um quasar extremamente luminoso conhecido como RX J1131-1231 (ou apenas RX J1131).

A lente gravitacional quebra a luz do quasar em 5 diferentes imagens, como no diagrama acima.

A lente gravitacional, fornecida por um aglomerado de galáxias, quebra a luz do quasar distante em 5 diferentes imagens, como ilustrado no diagrama acima.

Devido a um feliz alinhamento, a distorção do espaço-tempo pelo campo gravitacional de uma galáxia elíptica gigante ao longo da linha de visão do quasar age como uma lente gravitacional [2] que amplia a luz do quasar. As lentes gravitacionais, previstas pela primeira vez por Einstein, oferecem uma rara oportunidade de estudar a região mais interior em quasares distantes, agindo como um telescópio natural e ampliando a luz destas fontes.

O coautor Mark Reynolds, também da Universidade de Michigan, explicou:

Graças a esta lente gravitacional, fomos capazes de obter informações muito detalhadas sobre o espectro de raios-X, ou seja, a quantidade de raios-X observados em diversos comprimentos de onda em RX J1131. Isto por sua vez permitiu-nos obter um valor muito preciso da rapidez (momento angular) com a qual o buraco negro gira.

Os rótulos denotam as múltiplas imagens do quasar, bem como a galáxia elíptica em frente deste.

As setas apontam as múltiplas imagens do quasar, bem como a galáxia elíptica em frente deste.

Os raios-X são produzidos quando um disco de acreção [3] de gás e poeira que rodeia o buraco negro cria uma nuvem, ou coroa, com milhões de graus de temperatura, envolvendo o buraco negro. Os raios-X emitidos pela nuvem de gás ultra aquecida são refletidos da borda interior do disco de acreção. As fortes forças gravitacionais perto do buraco negro alteram o espectro dos raios-X refletidos. Quanto maior a variação no espectro, mais perto a orla interna do disco de acreção observado deve estar do buraco negro.

Jon M. Miller, outro autor do artigo, destacou:

Nós estimamos que os raios-X são provenientes de uma região no disco localizada a apenas três vezes o raio do horizonte de eventos [4], o ponto de não retorno para a matéria que cai para o buraco negro. O buraco negro deve girar muito rapidamente para permitir com que um disco sobreviva num raio tão pequeno.

Sabemos que um buraco negro em rotação arrasta o espaço em seu redor e assim permite com que a matéria orbite mais perto do que é possível para um buraco negro sem rotação.

Ao medir a rotação de buracos negros distantes os investigadores descobrem pistas importantes sobre como estes objetos crescem ao longo do tempo. Se os buracos negros crescem principalmente de colisões e fusões entre galáxias, devem acumular material em um disco estável. O fornecimento regular de material novo do disco deve levar a buracos negros com rápida rotação. Em contrapartida, se os buracos negros crescem através de muitos episódios de pequena acreção, vão acumular material a partir de direções aleatórias. Tal como um carrossel que é empurrado para a frente e para trás, isto faz com que este tipo de buraco negro gire mais lentamente.

A descoberta de que o buraco negro em RX J1131 gira a mais de metade da velocidade da luz sugere que este buraco negro, observado a uma distância de seis bilhões de anos-luz, o que corresponde a uma idade aproximadamente 7,7 bilhões de anos após o Big Bang, tem crescido através de fusões, em vez de puxar o material a partir de diferentes direções.

A capacidade de medir a rotação dos buracos negros ao longo de uma ampla gama de tempo cósmico deve tornar possível estudar diretamente se o buraco negro evolui na mesma proporção (ou não) que a sua galáxia hospedeira. A medição da rotação do buraco negro RX J1131-1231 é um grande passo nesse caminho e demonstra uma técnica para a montagem de uma amostra de buracos negros supermassivos distantes com observatórios de raios-X atuais.

Antes do anúncio deste estudo, os buracos negros mais distantes com estimativas de rotação medidas diretamente estavam localizados a 2,5 e a 4,7 bilhões de anos-luz da Terra.

Notas

[1] O “teorema da calvície” em astrofísica postula que todas as soluções resultantes em buracos negros das equações de Einstein-Maxwell da gravitação e do eletromagnetismo em relatividade geral podem ser completamente caracterizadas externamente por somente três parâmetros clássicos: massa, carga elétrica, e momento angular. Todas as outras informações sobre a matéria a qual formou um buraco negro ou está “caindo” nele, “desaparece” atrás do horizonte de eventos do buraco negro e é consequentemente permanentemente inacessível a observadores externos.

[2] A lente gravitacional é formada devido a uma distorção no espaço-tempo causada pela presença de um corpo de grande massa entre uma estrela e um observador. As lentes gravitacionais foram previstas na teoria da relatividade geral de Albert Einstein antes de serem observadas pelos modernos telescópios. São também uma evidência a favor da Matéria Escura, visto que algumas lentes são criadas por corpos celestes que aparentemente não estão lá.

[3] Dá-se o nome de disco de acreção à estrutura formada por materiais difusos em movimento orbital ao redor de um corpo central. Este último costuma ser uma estrela jovem, uma protoestrela, uma anã branca, uma estrela de nêutrons ou um buraco negro. A ocorrência de instabilidades no disco provoca a redistribuição do momento angular, o que faz os materiais dentro do disco espiralarem-se em direção ao corpo central. A energia gravitacional emitida no processo é transformada em calor e irradiada na superfície do disco, na forma de radiação eletromagnética. A faixa de frequência desta radiação depende do corpo central. Os discos de acreção de estrelas jovens e de protoestrelas irradiam em infravermelho, enquanto que os das estrelas de nêutrons e dos buracos negros irradiam na porção de raios-X do espectro eletromagnético.

[4] O Horizonte de Eventos, popularmente conhecido com o ponto de não-retorno, é a fronteira teórica ao redor de um buraco negro a partir da qual a força da gravidade é tão forte que nada, nem mesmo a luz pode escapar, pois a sua velocidade é inferior à velocidade de escape do buraco negro. Na Teoria da Relatividade, o horizonte de eventos é um termo utilizado para as fronteiras do espaço-tempo, definido de acordo com um ponto observador, de onde os eventos não podem interagir com ele. A Luz emitida de um lado do horizonte nunca chega ao observador, assim como tudo o que o cruza nunca mais é visto.