Quando você olha para o céu noturno, como você sabe se os pontos de luz que você vê são brilhantes e distantes, ou relativamente fraco e próximo? Uma maneira de descobrir é comparar a quantidade de luz que o objeto realmente emite com o quão brilhante ele parece. A diferença entre sua luminosidade verdadeira e seu brilho aparente revela a distância de um objeto do observador.

Medir a luminosidade de um objeto celestial é um desafio, especialmente com buracos negros, que não emitem luz. Mas os buracos negros supermassivos que ficam no centro da maioria das galáxias fornecem uma brecha:eles costumam puxar muita matéria ao seu redor, formando discos quentes que podem irradiar intensamente. Medir a luminosidade de um disco brilhante permitiria aos astrônomos medir a distância até o buraco negro e a galáxia em que ele vive. As medições de distância não apenas ajudam os cientistas a criar um mundo melhor, mapa tridimensional do universo, eles também podem fornecer informações sobre como e quando os objetos foram formados.

Em um novo estudo, astrônomos usaram uma técnica que alguns apelidaram de "mapeamento de eco" para medir a luminosidade de discos de buracos negros em mais de 500 galáxias. Publicado no mês passado no Astrophysical Journal , o estudo adiciona suporte à ideia de que essa abordagem poderia ser usada para medir as distâncias entre a Terra e essas galáxias distantes.

O processo de mapeamento de eco, também conhecido como mapeamento de reverberação, começa quando o disco de plasma quente (átomos que perderam seus elétrons) perto do buraco negro fica mais brilhante, às vezes, até mesmo liberando chamas curtas de luz visível (ou seja, comprimentos de onda que podem ser vistos pelo olho humano). Essa luz viaja para longe do disco e eventualmente atinge uma característica comum da maioria dos sistemas de buracos negros supermassivos:uma enorme nuvem de poeira em forma de donut (também conhecida como toro). Juntos, o disco e o toro formam uma espécie de alvo, com o disco de acreção enrolado firmemente em torno do buraco negro, seguido por anéis consecutivos de plasma e gás ligeiramente mais frios, e finalmente o toro de poeira, que é o mais largo, anel externo no alvo. Quando o flash de luz do disco de acreção atinge a parede interna do toro empoeirado, a luz é absorvida, fazendo com que a poeira aqueça e libere luz infravermelha. Este brilho do toro é uma resposta direta a ou, pode-se dizer um "eco" das mudanças que acontecem no disco.

A distância do disco de acreção até o interior do toro de poeira pode ser vasta - bilhões ou trilhões de milhas. Mesmo leve, viajando em 186, 000 milhas (300, 000 quilômetros) por segundo, pode levar meses ou anos para cruzá-lo. Se os astrônomos puderem observar o clarão inicial da luz visível no disco de acreção e o subsequente brilho infravermelho no toro, eles também podem medir o tempo que a luz levou para viajar entre essas duas estruturas. Porque a luz viaja a uma velocidade padrão, esta informação também dá aos astrônomos a distância entre o disco e o toro.

Os cientistas podem então usar a medição da distância para calcular a luminosidade do disco, e, em teoria, sua distância da Terra. Veja como:a temperatura na parte do disco mais próxima do buraco negro pode chegar a dezenas de milhares de graus - tão alta que mesmo os átomos se separam e as partículas de poeira não podem se formar. O calor do disco também aquece a área ao seu redor, como uma fogueira em uma noite fria. Viajando para longe do buraco negro, a temperatura diminui gradualmente.

Os astrônomos sabem que a poeira se forma quando a temperatura cai para cerca de 2, 200 graus Fahrenheit (1, 200 Celsius); quanto maior a fogueira (ou mais energia o disco irradia), quanto mais longe dele se forma a poeira. Portanto, medir a distância entre o disco de acreção e o toro revela a produção de energia do disco, que é diretamente proporcional à sua luminosidade.

Como a luz pode levar meses ou anos para atravessar o espaço entre o disco e o toro, os astrônomos precisam de dados que abrangem décadas. O novo estudo se baseia em quase duas décadas de observações de luz visível de discos de acreção de buracos negros, capturado por vários telescópios terrestres. A luz infravermelha emitida pela poeira foi detectada pelo Near Earth Object Wide Field Infrared Survey Explorer da NASA (NEOWISE), anteriormente denominado WISE. A espaçonave inspeciona todo o céu uma vez a cada seis meses, proporcionando aos astrônomos oportunidades repetidas de observar galáxias e procurar sinais daqueles "ecos" de luz. O estudo usou 14 levantamentos do céu por WISE / NEOWISE, coletados entre 2010 e 2019. Em algumas galáxias, a luz levou mais de 10 anos para percorrer a distância entre o disco de acreção e a poeira, tornando-os os ecos mais longos já medidos fora da Via Láctea.

Galáxias distantes, Distante

A ideia de usar mapeamento de eco para medir a distância da Terra a galáxias distantes não é nova, mas o estudo faz avanços substanciais na demonstração de sua viabilidade. A maior pesquisa desse tipo, o estudo confirma que o mapeamento de eco funciona da mesma maneira em todas as galáxias, independentemente de variáveis ​​como o tamanho de um buraco negro, que pode variar significativamente em todo o universo. Mas a técnica não está pronta para o horário nobre.

Devido a vários fatores, as medidas de distância dos autores carecem de precisão. Mais notavelmente, os autores disseram, eles precisam entender mais sobre a estrutura das regiões internas do donut de poeira que circunda o buraco negro. Essa estrutura pode afetar coisas como quais comprimentos de onda específicos de luz infravermelha a poeira emite quando a luz chega pela primeira vez.

Os dados WISE não abrangem toda a faixa de comprimento de onda infravermelho, e um conjunto de dados mais amplo poderia melhorar as medições de distância. Telescópio Espacial Nancy Grace Roman da NASA, definido para ser lançado em meados da década de 2020, fornecerá observações direcionadas em diferentes faixas de comprimento de onda infravermelho. A próxima missão SPHEREx da agência (que significa Espectrofotômetro para a História do Universo, Epoch of Reionization e Ices Explorer) irá pesquisar todo o céu em vários comprimentos de onda infravermelhos e também pode ajudar a melhorar a técnica.

"A beleza da técnica de mapeamento de eco é que esses buracos negros supermassivos não vão desaparecer tão cedo, "disse Qian Yang, pesquisador da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign e principal autor do estudo, referindo-se ao fato de que os discos dos buracos negros podem sofrer queima ativa por milhares ou até milhões de anos. "Assim, podemos medir os ecos da poeira repetidamente para o mesmo sistema para melhorar a medição da distância."

Medições de distância baseadas em luminosidade já podem ser feitas com objetos conhecidos como "velas padrão, "que têm uma luminosidade conhecida. Um exemplo é um tipo de estrela em explosão chamada supernova Tipo 1a, que desempenhou um papel crítico na descoberta da energia escura (o nome dado à misteriosa força motriz por trás da expansão acelerada do universo). Todas as supernovas tipo 1a têm quase a mesma luminosidade, portanto, os astrônomos só precisam medir seu brilho aparente para calcular sua distância da Terra.

Com outras velas padrão, astrônomos podem medir uma propriedade do objeto para deduzir sua luminosidade específica. Esse é o caso do mapeamento de eco, onde cada disco de acreção é único, mas a técnica para medir a luminosidade é a mesma. Há benefícios para os astrônomos serem capazes de usar várias velas padrão, como ser capaz de comparar medições de distância para confirmar sua precisão, e cada vela padrão tem pontos fortes e fracos.

"Medir distâncias cósmicas é um desafio fundamental na astronomia, então a possibilidade de ter um truque extra na manga é muito emocionante, "disse Yue Shen, também pesquisador da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign e co-autor do artigo.