Um vínculo inesperado entre os jatos de buracos negros e suas galáxias hospedeiras 🌀
Uma nova análise dos dados dos radiotelescópios relaciona as formas das galáxias aos buracos negros que elas abrigam. Os buracos negros não são diversos. Eles têm sempre uma única cor (preto) e uma única forma (esférica). A única qualidade que pode variar de um buraco negro para outro é a massa.
A galáxia M87 com, em seu centro, o buraco negro M87*. Os buracos negros são milhares de vezes menos massivos que as galáxias, e, no entanto, produzem jatos que apontam na mesma direção.
- No canto superior direito: GMVA/Lu et. al. 2023 (Nature)
- No canto inferior direito: Event Horizon Telescope Collaboration
Crédito: M87: HST/NASA
Em geral, os buracos negros que detectamos são ou buracos negros de massa estelar, ou buracos negros supermassivos. Os buracos negros de massa estelar possuem massa próxima à do nosso Sol (1030 kg) e o tamanho de uma cidade.
Os buracos negros supermassivos são muito mais massivos (um milhão de vezes a massa do Sol) e têm aproximadamente o tamanho do sistema solar. No entanto, por mais massivos que sejam, sempre possuem uma massa bastante baixa, muitas vezes bem inferior a 1% da massa estelar total de sua galáxia. Também são muito menores que suas galáxias hospedeiras, cerca de um milhão de vezes o seu raio.
Um alinhamento em escalas muito diferentes
Nos novos resultados que publicamos hoje, 14 de novembro, na Nature Astronomy, descobrimos que há uma conexão entre a região próxima ao buraco negro e a galáxia hospedeira, pois os jatos emitidos pelo buraco negro estão alinhados com o restante da galáxia, apesar das escalas muito diferentes.
Os buracos negros supermassivos são bastante raros. Nossa galáxia, a Via Láctea, possui um (chamado Sagitário A*, devido à constelação em que está localizado) em seu centro. Todas as galáxias aparentam abrigar também um (ou às vezes dois) buracos negros supermassivos em seus núcleos. Os centros, ou núcleos, dessas galáxias distantes podem se tornar ativos, pois poeira e gás são atraídos para o núcleo devido à atração gravitacional do buraco negro.
Eles não caem imediatamente, pois possuem uma grande rotação, formando um disco quente de matéria, chamado disco de acreção. Esse disco de acreção, devido ao seu intenso campo magnético, gera um jato superaquecido de partículas carregadas que são ejetadas do núcleo a velocidades muito altas, próximas à velocidade da luz. Quando isso ocorre, chamamos de quasar (fonte de radiação quase-estelar).
Um telescópio do tamanho da Terra
Uma maneira comum de estudar os jatos de quasares é utilizando a interferometria de base muito longa (VLBI). A VLBI permite que diferentes radiotelescópios funcionem em conjunto, transformando-os em um único telescópio do tamanho da Terra. A resolução espacial obtida é muito maior do que a de telescópios ópticos ou infravermelhos.
Esse "olho gigante" é muito mais eficaz em resolver detalhes finos do que qualquer telescópio individual, permitindo que os astrônomos vejam objetos e estruturas muito menores do que os visíveis a olho nu, ou mesmo com um telescópio óptico. Essa é a técnica utilizada para captar a imagem do buraco negro para o halo de luz gerado pelo buraco negro supermassivo hospedado pela galáxia M87.
Assim, graças a essa abordagem de alta resolução, a VLBI permite aos astrônomos estudar esses jatos até algumas poucas anos-luz ou menos de sua origem: o buraco negro. A direção do jato em escalas tão pequenas nos informa sobre a orientação do disco de acreção e, potencialmente, sobre as propriedades do próprio buraco negro. E, atualmente, essa é a única forma de obter tais dados.
E quanto às próprias galáxias hospedeiras? Uma galáxia é um objeto tridimensional, formado por centenas de bilhões de estrelas. No entanto, ela nos aparece (observada em ótico ou infravermelho) como uma projeção, quer seja como uma elipse em 2D, quer seja como uma espiral.
Podemos medir a forma dessas galáxias traçando o perfil da luz das estrelas e medindo o eixo maior e o eixo menor da forma bidimensional.
No nosso artigo, recentemente publicado na Nature Astronomy, comparamos a direção dos jatos de quasares com a direção do eixo menor da elipse da galáxia e descobrimos que eles estão conectados.
Isso é surpreendente, pois o buraco negro é tão pequeno (o jato que medimos tem apenas alguns anos-luz de extensão) em comparação com a galáxia hospedeira (que pode ter centenas de milhares de anos-luz de largura). É surpreendente que um objeto tão pequeno (em comparação) possa afetar, ou ser afetado, pelo ambiente em escalas tão grandes. Seria de se esperar ver uma correlação entre o jato e o ambiente local, mas não com o conjunto da galáxia.
Isso tem algo a dizer sobre como as galáxias se formam? Galáxias espirais às vezes colidem com outras galáxias espirais e formam galáxias elípticas, que aparecem no céu como elipses. Durante o processo de fusão, o fenômeno dos quasares é desencadeado de uma forma que ainda não entendemos completamente. É por isso que quase todos os jatos detectáveis pela VLBI estão hospedados em galáxias elípticas.
A interpretação exata do resultado permanece misteriosa, mas é importante no contexto da recente descoberta feita pelo telescópio espacial James Webb de quasares muito massivos (com buracos negros supermassivos), que se formaram muito mais cedo no universo do que o previsto. É evidente que nossa compreensão sobre a formação das galáxias e a influência dos buracos negros nesse fenômeno precisa ser atualizada.