Insight-HXMT, O primeiro satélite astronômico de raios-X espacial da China, descobriu uma oscilação quase periódica de baixa frequência (QPO) acima de 200 kiloelétron volts (keV) em um buraco negro binário, tornando-o o QPO de baixa frequência de maior energia já encontrado. Os cientistas também descobriram que o QPO se originou da precessão de um jato relativístico (fluxo de plasma em alta velocidade para fora) próximo ao horizonte de eventos do buraco negro. Essas descobertas têm implicações importantes para resolver o longo debate sobre a origem física dos QPOs de baixa frequência.

Este trabalho, publicado online em Astronomia da Natureza em 21 de setembro, foi conduzido principalmente por cientistas do Instituto de Física de Altas Energias (IHEP) da Academia Chinesa de Ciências (CAS), a Universidade de Southampton (Reino Unido), Universidade Eberhard Karls de Tübingen (Alemanha), e o Observatório Astronômico de Xangai do CAS.

QPOs de baixa frequência, descoberto na década de 1980, são um recurso de tempo de observação comum em binários de buracos negros transitórios. Eles são quase periódicos, mas não precisamente periódico, modulações em curvas de luz. Por mais de 30 anos, a origem dos QPOs de baixa frequência não foi compreendida. Os dois modelos mais populares que explicam sua origem são:1) as oscilações são causadas pela instabilidade do disco de acreção quando a matéria gira e finalmente cai no buraco negro; e 2) as modulações quase periódicas de raios-X são produzidas pela oscilação ou precessão da região de emissão de raios-X coronal próxima ao buraco negro.

Antes da era do Insight-HXMT, Os satélites de raios-X só podiam detectar e estudar QPOs de baixa frequência abaixo de 30 keV; portanto, foi difícil testar esses modelos. Insight-HXMT, em contraste, tem uma ampla faixa de energia efetiva de 1-250 keV e tem a maior área efetiva acima de 30 keV. Portanto, após o lançamento do Insight-HXMT, os cientistas esperavam que detectasse QPOs ricos de baixa frequência acima de 30 keV, e, assim, ser capaz de testar totalmente os modelos anteriores.

O novo binário de raio-X de buraco negro MAXI J1820 + 070, consistindo em um buraco negro de várias massas solares e uma estrela companheira, começou a sofrer uma explosão em 11 de março, 2018. Há muito tempo é uma das fontes de raios-X mais brilhantes no céu. O Insight-HXMT respondeu rapidamente e realizou observações de apontamento de alta cadência nesta fonte por vários meses, acumulando uma grande quantidade de dados observacionais.

Com base nesses dados, os cientistas descobriram que o QPO de baixa frequência de MAXI J1820 + 070 apareceu em uma ampla faixa de energia e sua energia de detecção máxima excedeu 200 keV, que é quase uma ordem de magnitude maior do que os QPOs anteriores observados por outros telescópios, indicando que o QPO não pode vir da região de radiação térmica do disco de acreção. Estudos posteriores revelaram que a frequência e amplitude de variabilidade do QPO são independentes de energia e o QPO de alta energia precede o de baixa energia.

Esses resultados conflitaram inequivocamente com a maioria dos modelos existentes atualmente. Portanto, os cientistas propuseram que o QPO de baixa frequência foi produzido pela precessão de um jato próximo ao horizonte de eventos do buraco negro; a precessão foi provavelmente causada pelo efeito de arrastamento de quadros da relatividade geral, gerado pela rotação do buraco negro.

Os jatos são fluxos de matéria de alta velocidade movendo-se perto da velocidade da luz. Muitos jatos foram observados em binários de buracos negros e quasares distantes hospedando buracos negros supermassivos (ou seja, aqueles de milhões a dezenas de bilhões de massas solares) no rádio, bandas ópticas e de raios-X. Os jatos são uma característica observacional importante dos sistemas de buracos negros, e são os principais meios pelos quais os buracos negros influenciam o ambiente circundante via feedback ao engolir matéria próxima.

Contudo, esses jatos estão longe de buracos negros. Eles geralmente estão localizados a uma distância de mais de um milhão de vezes o horizonte de eventos do buraco negro. De tão longa distância, a força gravitacional do buraco negro realmente não tem efeito. Portanto, não está claro onde esses jatos são gerados, a que distância eles estão dos buracos negros, como eles podem escapar do forte campo gravitacional dos buracos negros e como eles são acelerados a uma velocidade próxima à velocidade da luz.

A descoberta do Insight-HXMT é particularmente importante porque é a primeira vez que um jato foi encontrado a apenas centenas de quilômetros de um buraco negro (ou seja, várias vezes o horizonte de eventos do buraco negro). Como o jato relativístico mais próximo observado em um buraco negro até agora, a descoberta é de grande importância para estudar os efeitos relativísticos, processos dinâmicos e mecanismos de radiação.