Novas observações do Telescópio Espacial James Webb, ou JWST, estão dando aos astrônomos uma visão melhor de como os buracos negros supermassivos obtêm o gás de que precisam para crescer.
As imagens mostram longos filamentos de gás conectando a quente atmosfera externa da galáxia ao disco em rápida rotação que circunda o buraco negro central. Este disco atua como o último reservatório de material antes que o gás entre e preencha o buraco negro.
Uma equipe de pesquisa internacional liderada pela Universidade de Montreal com a participação da Universidade de Michigan conduziu as observações e analisou os resultados. Seus resultados são publicados na edição de 14 de julho Cartas de diários astrofísicosajudará a resolver uma questão que preocupa os astrônomos há décadas.
“As observações do JWST oferecem-nos milhares de novos factos e medições, e posso informar que há muito para explorar,” disse Megan Donahue, Distinta Professora de Física e Astronomia da Universidade MSU. “Estamos todos a trabalhar juntos para resolver questões astrofísicas sobre como estes buracos negros obtêm o seu combustível e como interagem com a sua galáxia.”
Como os buracos negros supermassivos afetam as galáxias
Quase todas as grandes galáxias contêm um buraco negro supermassivo, ou SMBH, no seu centro. Esses objetos podem ter milhões ou bilhões de vezes mais massivos que o Sol.
Um buraco negro em si não emite luz. No entanto, quando grandes quantidades de gás e poeira o atingem, o material aquece e cria uma região extremamente brilhante e energética. Os astrônomos chamam isso de núcleo galáctico ativo, ou AGN.
Um buraco negro ativo pode se comportar como um poderoso motor cósmico. Pode lançar enormes jatos que transportam energia muito além do centro da galáxia. Estes jatos podem aquecer o gás circundante, retardar a formação de novas estrelas e afetar a forma como a galáxia muda ao longo de milhares de milhões de anos.
Isso cria um enigma antigo. À medida que os jatos aquecem o gás próximo, devem tornar mais difícil o resfriamento e a queda do gás em direção ao buraco negro. Em teoria, um buraco negro deveria eventualmente ficar sem o seu próprio abastecimento alimentar.
No entanto, muitos buracos negros supermassivos continuam a alimentar-se.
Possível ciclo de combustível do buraco negro
A principal explicação é que o sistema se auto-regula.
O gás aquecido pela atividade do buraco negro pode esfriar novamente com o tempo. À medida que perde energia, pode condensar-se em estruturas longas e estreitas conhecidas como filamentos. Esses fluxos de gás mais frio podem então afundar de volta em direção ao centro galáctico e reabastecer o suprimento de combustível do buraco negro.
Para investigar este processo, os investigadores usaram o JWST para estudar NGC 4696, a maior galáxia central do aglomerado Centauri. O aglomerado é uma densa coleção de galáxias a cerca de 145 milhões de anos-luz da Terra e é considerado um dos melhores locais para estudar a interação dos núcleos galácticos ativos com o seu ambiente.
A equipe observou NGC 4696 por quase oito horas usando o instrumento NIRSpec do JWST. O NIRSpec separa a luz infravermelha em seus componentes de comprimento de onda, permitindo aos cientistas determinar como o gás se move, de que é feito e como suas propriedades mudam em uma região.
Os mapas resultantes traçaram o movimento do gás nas profundezas da esfera de influência do buraco negro. Esta é a região onde a gravidade do buraco negro domina o movimento do material próximo.
O JWST resolveu estruturas com aproximadamente 30 anos-luz de diâmetro. Embora esta distância seja enorme para os padrões humanos, é um nível de detalhe extremamente fino dentro de uma galáxia que se estende por centenas de milhares de anos-luz.
O gás que é derramado no disco giratório
As observações mostraram que a estrutura em forma de S perto do centro da galáxia é na verdade um disco giratório de gás em torno de um buraco negro supermassivo.
O disco se estende por quase 800 anos-luz de diâmetro e parte do material dentro dele se move a velocidades de até 600 quilômetros por segundo.
Mais importante ainda, o disco parece estar fisicamente conectado a um dos grandes filamentos de gás da galáxia que flui para dentro. Os dados do JWST mostram que o gás viaja ao longo do filamento e entra em um disco giratório que alimenta o buraco negro com material.
Esta ligação fornece algumas das mais fortes evidências observacionais de que filamentos de gás frio podem atuar como canais de alimentação para buracos negros supermassivos.
Concluindo o ciclo de feedback do buraco negro
As descobertas ajudam a preencher as etapas que faltam em um ciclo maior.
Primeiro, os jatos lançados por um buraco negro ativo injetam energia no gás galáctico circundante. Com o tempo, partes desse gás esfriam, tornam-se instáveis e colapsam em filamentos finos. Algumas destas estruturas têm apenas algumas centenas de anos-luz de diâmetro, mas estendem-se por milhares de anos-luz.
À medida que o gás cai para dentro, as forças magnéticas podem reduzir a sua rotação e direcioná-lo para o centro. O material é então coletado em um disco giratório ao redor do buraco negro.
O disco alimenta o buraco negro, o buraco negro alimenta novos jatos, e esses jatos reaquecem o gás circundante.
Desta forma, o buraco negro pode ajudar a criar as condições que eventualmente fornecerão o seu próximo fornecimento de combustível.
As simulações apoiam as observações do JWST
Os pesquisadores também usaram simulações computacionais de última geração para testar se essa explicação poderia reproduzir o comportamento observado pelo JWST.
O gás simulado moveu-se e condensou-se de uma forma que se assemelhava muito ao sistema observado. Este acordo fornece apoio independente à ideia de que o gás refrigerante, os campos magnéticos e os jatos dos buracos negros trabalham juntos num circuito auto-regulado.
“Foi muito emocionante fazer parte deste projeto”, disse o professor de Física e Astronomia da MSU, Mark Voight. “Cálculos do nosso grupo do estado de Michigan prevêem que os campos magnéticos devem ajudar a alimentar os buracos negros supermassivos do universo, canalizando gás frio em direção a eles, e é incrível ver isso acontecendo nessas imagens do JWST”.
