Os astrónomos podem estar cada vez mais perto de resolver o mistério de longa data das maiores galáxias do Universo. As observações da Missão de Imagens e Espectroscopia de Raios-X, conhecida como XRISM, fornecem novas evidências de que os buracos negros supermassivos podem estar a impedir que estas galáxias gigantes formem tantas estrelas quanto o esperado.
De acordo com os modelos atuais, as galáxias mais massivas deveriam conter mais massa estelar do que a que os astrónomos realmente observam. O déficit sugere que algum processo suprime a formação de estrelas. O estudante de doutorado da Universidade de Michigan, Xin “Xinji” Xiang, usou dados do XRISM para investigar uma das principais explicações e encontrou evidências apontando diretamente para buracos negros.
Para a maioria das pessoas, os buracos negros são conhecidos como objetos cuja gravidade é tão forte que nem mesmo a luz consegue escapar além de um certo limite. No entanto, os buracos negros também podem criar regiões extremamente brilhantes ao seu redor. À medida que o gás e a poeira espiralam para dentro, formam um disco de acreção que emite enormes quantidades de energia, incluindo poderosos raios X.
Ventos de buraco negro e formação de estrelas
Os discos de acreção estão entre os ambientes mais energéticos do universo. O material que cai em direção ao buraco negro é aquecido pela gravidade e fricção até se tornar um plasma muito quente. Ao mesmo tempo, o disco pode lançar poderosos fluxos de matéria.
Esses ventos podem ser fortes o suficiente para varrer o gás para fora da galáxia. Dado que o gás é a matéria-prima necessária para criar novas estrelas, tais fluxos podem reduzir significativamente a futura formação de estrelas.
Os dados XRISM apoiam esta possibilidade. A missão é liderada pela Agência de Exploração Aeroespacial do Japão em parceria com a NASA e a Agência Espacial Europeia.
“Antes, sem o XRISM, só podíamos ver as características amplas das saídas”, disse Xiang. “Mas você precisa ser capaz de identificar as pequenas características para responder às grandes questões. Qual é a sua estrutura e geometria? Como os ventos são acionados e quando são acionados?”
XRISM fornece uma aparência mais nítida
Lançado em 2023, o XRISM iniciou observações científicas no outono de 2024. A sua resolução energética é cerca de 10 vezes melhor que a do seu antecessor, permitindo aos astrónomos sondar o ambiente dos buracos negros com muito mais detalhe.
Xiang e seus colegas concentraram-se na NGC 4151, uma galáxia brilhante localizada a pouco mais de 50 milhões de anos-luz da Terra. No seu centro está um núcleo galáctico ativo, ou AGN, onde um buraco negro supermassivo absorve ativamente material e cria um disco de acreção luminoso. Isto faz do NGC 4151 um laboratório ideal para estudar fluxos causados por buracos negros.
“Com o XRISM, temos a resolução mais alta observando o AGN mais brilhante e obtemos as informações mais ricas sobre os fluxos que observamos até agora para um disco de acreção”, disse Xiang.
Trabalhando com o professor de astronomia da Universidade de Michigan, John Miller, Xiang mostrou anteriormente que o vento do disco de acreção do NGC 4151 pode atingir velocidades altas o suficiente para ejetar material do sistema. Ela também identificou o provável mecanismo por trás desses fluxos (que parece ser o chamado impulso magnetocentrífugo e é semelhante ao que causa as explosões solares).
Rastreando as saídas mais rápidas de buracos negros
Na 248ª reunião da Sociedade Astronômica Americana em Pasadena, Califórnia, Xiang apresentou um novo método para determinar quando o vento forte da NGC 4151 está ativo. Esta abordagem poderia ajudar os investigadores a identificar fluxos semelhantes noutras galáxias e melhorar a compreensão dos AGN em todo o Universo.
Como os ventos AGN podem mudar drasticamente ao longo do tempo, Xiang precisava de uma maneira de determinar quando ocorrem os fluxos de saída mais rápidos e fortes. Para fazer isso, ela analisou centenas de dias de observações XRISM da NGC 4151.
O seu trabalho centrou-se nos períodos em que a emissão de raios X da galáxia foi aumentada por explosões e como o sinal de raios X evoluiu nas horas que se seguiram.
Além de medir o brilho, Xiang estudou se os raios X detectados eram relativamente duros ou suaves, uma propriedade comparável à cor na luz visível. Ela combinou essas medidas em uma nova métrica chamada índice de intensidade de cor. Miller sugeriu encurtar o título para “brevidade”.
“Em parte porque meu nome é Shinji”, disse Xiang. “Mas a ideia é que, no futuro, você possa me dizer quão precisa é sua fonte neste momento, e eu posso lhe dizer a probabilidade de você estar vendo um fluxo rápido”.
Uma nova conexão temporal entre buracos negros e ventos galácticos
A análise revelou um padrão surpreendente. Na NGC 4151, o vento mais forte e rápido ocorreu quando os raios X eram fortes, mas relativamente fracos.
As saídas mais rápidas não ocorreram durante as próprias explosões de raios X. Em vez disso, eles geralmente apareciam após cerca de 10.000 segundos, ou pouco menos de três horas. Esta descoberta fornece a primeira ligação direta entre a emissão de raios X e os poderosos ventos que fluem do disco de acreção de um buraco negro.
Ao determinar quando estes fluxos ocorrem, os astrónomos têm uma nova ferramenta valiosa para estudar como os buracos negros afectam o crescimento e a evolução das galáxias, e talvez por que algumas das galáxias mais massivas do Universo carecem de tantas estrelas.
