Buracos negros de galáxias em colisão emitem jatos que gritam em ondas de rádio

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Esta impressão artística ilustra como os jatos de matéria velozes oriundos de buracos negros supermassivos podem parecer. Estes fluxos de plasma são o resultado da extração de energia da rotação de um buraco negro supermassivo à medida que consome o disco rodopiante de matéria que o envolve. Os ‘jatos relativísticos’ emitem fortemente ondas de rádio. Crédito: ESA/Hubble, L. Calçada (ESO)

Na mais exaustiva pesquisa deste tipo até hoje executada, um time de cientistas encontrou uma relação concreta entre a presença de buracos negros supermassivos que geram jatos velozes que emitem sinais de rádio e a história da fusão das suas galáxias hospedeiras. Descobriu-se que quase todas as galáxias que contêm estes jatos estão ou em processo de aglutinação ou o executaram há pouco tempo. Os resultados relatados no Astrophysical Journal dão peso significativo ao caso de jatos a serem gerados por buracos negros em fusão.

O time de astrônomos usou a câmera Wide Field Camera 3 (WFC3) pertencente ao Telescópio Espacial Hubble da NASA/ESA para realizar um grande recenseamento sobre a relação entre as galáxias que sofreram fusões e a atividade dos buracos negros supermassivos em seus núcleos.

A equipe estudou uma grande variedade de galáxias com centros extremamente luminosos, conhecidos como AGN (Active Galaxy Nuclei – Núcleo Galáctico Ativo), que se pensa serem o resultado de grandes quantidades de matéria aquecida que circula em redor e é consumida por um buraco negro supermassivo. Embora se pense as galáxias em geral hospedem buracos negros supermassivos nos seus núcleos, apenas uma pequena quantidade é assim tão luminosa e ainda menos dão um passo em frente e formam o que é conhecido como ‘jatos relativísticos’ [1]. Os dois jatos de plasma altamente velozes movem-se quase à velocidade da luz e fluem para fora em sentidos opostos perpendiculares em relação ao disco de matéria que envolve o buraco negro, estendendo-se por milhares de anos-luz no espaço. O material intensamente aquecido dentro dos jatos é também a origem das ondas de rádio que detectamos.

São estes os ‘jatos relativísticos’ que Marco Chiaberge do STScI (membro da Universidade Johns Hopkins, EUA e do INAF-IRA, Itália) e seus colaboradores esperavam confirmar como resultado de fusões galácticas. [2]

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Esta imagem obtida pelo Telescópio Hubble da NASA mostra uma seleção de galáxias usadas no estudo para confirmar a ligação entre as fusões e os jatos velozes dos buracos negros supermassivos. Estas galáxias têm fortes emissões de ondas de rádio, o que significa que os buracos negros supermassivos aí abrigados estão ejetando grandes quantidades de plasma. No canto superior esquerdo temos 3C 297, no canto inferior esquerdo está 3C 454.1 e à direita vemos a galáxia 3C 356. Créditos: NASA, ESA, M. Chiaberge (STScI)

Os cientistas analisaram cinco categorias de galáxias procurando por de sinais visíveis de fusões recentes ou em andamento: dois tipos de galáxias com jatos, dois tipos de galáxias que tinham núcleos luminosos, mas que não tinham jatos, e um conjunto de galáxias inativas regulares. [3]

Marco Chiaberge explicou:

As galáxias que hospedam estes jatos relativísticos liberam grandes quantidades de radiação no comprimento de onda do rádio. Usando a câmara WFC3 do Hubble, nós descobrimos que quase todas as galáxias com grandes quantidades de emissão de rádio, o que implica a presença de jatos, estavam associadas com fusões. No entanto, não foram só as galáxias que exibiram jatos as únicas a mostrar evidências de fusões! [4]

Roberto Gilli do Osservatorio Astronomico di Bologna, Itália, coautor do artigo, complementou:

Nós descobrimos que a maioria em si dos eventos de fusão propriamente ditos não resulta na criação de AGN (Active Galaxy Nuclei – Núcleo Galáctico Ativo), com uma poderosa emissão de rádio. Cerca de 40% das outras galáxias que estudamos também experimentaram um período de fusão e no entanto falharam em produzir as espetaculares emissões de rádio e os jatos dos seus pares homólogos.

Embora esteja claro agora que uma fusão galáctica é quase certamente necessária para uma galáxia hospedar um buraco negro supermassivo com jatos relativísticos, a equipe deduziu que devem haver condições suplementares que devem ser atingidas. Os cientistas especulam que a colisão galáctica produz um buraco negro supermassivo com jatos quando este buraco negro central roda mais depressa, possivelmente como resultado de um encontro com outro buraco negro de massa similar, de maneira que o excesso de energia extraída da rotação do buraco negro alimentaria os jatos relativísticos.

Colin Norman, coautor do artigo, explicou:

Há dois caminhos pelos quais as fusões provavelmente afetam buraco negro central. A primeira seria um aumento na quantidade de gás atraído para o centro da galáxia, acrescentando massa tanto ao buraco negro como ao disco matéria em seu redor. Mas este processo deve afetar os buracos negros em todas as fusões galácticas e, apesar disso, nem todas as galáxias em fusão que têm buracos negros acabam produzindo jatos, assim, não é suficiente para explicar a origem destes jatos. A outra hipótese é que uma fusão entre duas galáxias gigantescas faz com que dois buracos negros de massa semelhante também se fundam. Pode ser que uma determinada classe de fusão entre dois buracos negros produza um único buraco negro supermassivo e veloz, o que explica a produção dos jatos.

São necessárias observações futuras usando tanto o Hubble como o Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) do ESO para expandir ainda mais o estudo, e para continuar a lançar luz sobre estes processos complexos e poderosos.

Notas

[1] Os ‘Jatos relativísticos‘ trafegam em velocidades extremas, da ordem da velocidade da luz. São os objetos mais velozes conhecidos encontrados na natureza.

[2] As novas observações usadas nesta pesquisa foram realizadas com a colaboração do time do 3CR-HST. Este grupo internacional de astrônomos é atualmente liderado por Marco Chiaberge que tem conduzido uma série de pesquisas de rádio galáxias e quasares do catálogo 3CR, usando o Telescópio Espacial Hubble.

[3] O time comparou suas observações com os arquivos de dados do legado do Hubble. Eles pesquisaram diretamente doze rádio galáxias muito distantes e compararam os resultados com os dados de uma grande número de galáxias observadas durante outros programas de rastreamento.

[4] Outros estudos já tinham mostrado uma forte relação entre a história das fusões de uma galáxia e os altos níveis de radiação no rádio, o que sugere a presença de jatos relativísticos escondidos no centro da galáxia. No entanto, este estudo é muito mais extenso e os resultados são muito claros, o que significa que agora pode ser dito com quase toda a certeza que os AGNs de rádio, isto é, galáxias com jatos relativísticos, são o resultado de fusões galácticas.