Em 11 de março, um instrumento a bordo da Estação Espacial Internacional detectou uma enorme explosão de luz de raios-X que cresceu e ficou seis vezes mais brilhante que a Nebulosa do Caranguejo, quase 10, 000 anos-luz de distância da Terra. Os cientistas determinaram que a fonte foi um buraco negro pego no meio de uma explosão - uma fase extrema em que um buraco negro pode vomitar explosões brilhantes de energia de raios-X ao devorar uma avalanche de gás e poeira de uma estrela próxima.

Agora, astrônomos do MIT e de outros lugares detectaram "ecos" nesta explosão de emissões de raios-X, que eles acreditam ser uma pista de como os buracos negros evoluem durante uma explosão. Em um estudo publicado hoje na revista Natureza , a equipe relata evidências de que, como o buraco negro consome enormes quantidades de material estelar, sua corona - o halo de elétrons altamente energizados que circunda um buraco negro - encolhe significativamente, de uma extensão inicial de cerca de 100 quilômetros (aproximadamente a largura de Massachusetts) a meros 10 quilômetros, em pouco mais de um mês.

As descobertas são a primeira evidência de que a corona encolhe à medida que um buraco negro se alimenta, ou acretes. Os resultados também sugerem que é a coroa que impulsiona a evolução de um buraco negro durante a fase mais extrema de sua explosão.

"Esta é a primeira vez que vimos este tipo de evidência de que é a corona encolhendo durante esta fase particular da evolução da explosão, "diz Jack Steiner, um cientista pesquisador no Instituto Kavli de Astrofísica e Pesquisa Espacial do MIT. "A coroa ainda é muito misteriosa, e ainda temos uma compreensão vaga do que é. Mas agora temos evidências de que o que está evoluindo no sistema é a própria estrutura da coroa. "

Os co-autores do MIT de Steiner incluem Ronald Remillard e a primeira autora Erin Kara.

Ecos de raios-x

O buraco negro detectado em 11 de março foi denominado MAXI J1820 + 070, para o instrumento que o detectou. A missão Monitor of All-sky X-ray Image (MAXI) é um conjunto de detectores de raios-X instalados no Módulo Experimental Japonês da Estação Espacial Internacional (ISS), que monitora todo o céu em busca de explosões e explosões de raios-X.

Logo depois que o instrumento detectou a explosão do buraco negro, Steiner e seus colegas começaram a observar o evento com a estrela de nêutrons da NASA, Interior Composition Explorer, ou NICER, outro instrumento a bordo da ISS, que foi projetado parcialmente pelo MIT, para medir a quantidade e o tempo de entrada de fótons de raios-X.

"Este buraco negro extremamente brilhante entrou em cena, e estava quase completamente desobstruído, então temos uma visão muito clara do que estava acontecendo, "Steiner diz.

Uma explosão típica pode ocorrer quando um buraco negro suga enormes quantidades de material de uma estrela próxima. Este material se acumula ao redor do buraco negro, em um vórtice conhecido como disco de acreção, que pode abranger milhões de quilômetros de diâmetro. O material no disco que está mais próximo do centro do buraco negro gira mais rápido, gerando atrito que aquece o disco.

"O gás no centro tem milhões de graus de temperatura, "Steiner diz." Quando você aquece algo tão quente, ele brilha como raios-X. Esse disco pode sofrer avalanches e despejar seu gás no buraco negro central a uma quantidade de gás equivalente ao Monte Everest por segundo. E é aí que entra em erupção, que geralmente dura cerca de um ano. "

Os cientistas observaram anteriormente que os fótons de raios-X emitidos pelo disco de acreção podem emitir ping-pong de elétrons de alta energia na coroa de um buraco negro. Steiner diz que alguns desses fótons podem se espalhar "até o infinito, "enquanto outros se espalham de volta para o disco de acreção como raios-X de alta energia.

Ao usar o NICER, a equipe conseguiu coletar medições extremamente precisas da energia e do tempo dos fótons de raios-X durante a explosão do buraco negro. Crucialmente, eles pegaram "ecos, "ou atrasos entre os fótons de baixa energia (aqueles que podem ter sido inicialmente emitidos pelo disco de acreção) e os fótons de alta energia (os raios X que provavelmente interagiram com os elétrons da corona). Ao longo de um mês, os pesquisadores observaram que o comprimento dessas defasagens diminuiu significativamente, indicando que a distância entre a corona e o disco de acreção também estava diminuindo. Mas era o disco ou a coroa que estava se movendo?

Para responder a isso, os pesquisadores mediram uma assinatura que os astrônomos conhecem como "linha de ferro" - uma característica que é emitida pelos átomos de ferro em um disco de acreção apenas quando eles são energizados, como pela reflexão de fótons de raios-X nos elétrons de uma coroa. Ferro, Portanto, pode medir o limite interno de um disco de acreção.

Quando os pesquisadores mediram a linha de ferro durante a explosão, eles não encontraram nenhuma mudança mensurável, sugerindo que o próprio disco não estava mudando de forma, mas permanecendo relativamente estável. Juntamente com a evidência de uma diminuição do atraso de raios-X, eles concluíram que deve ser a coroa que estava mudando, e encolhendo como resultado da explosão do buraco negro.

"Vemos que a corona começa assim tão inchada, Bolha de 100 quilômetros dentro do disco de acreção interno, então diminui para algo como 10 quilômetros, mais de cerca de um mês, "Steiner diz." Este é o primeiro caso inequívoco de uma corona encolhendo enquanto o disco está estável. "

"O NICER nos permitiu medir os ecos de luz mais perto de um buraco negro de massa estelar do que nunca, "Kara acrescenta." Anteriormente, esses ecos de luz do disco de acreção interno eram vistos apenas em buracos negros supermassivos, que são milhões a bilhões de massas solares e evoluem ao longo de milhões de anos. Buracos negros estelares como o J1820 têm massas muito menores e evoluem muito mais rápido, para que possamos ver as mudanças ocorrendo nas escalas de tempo humanas. "

Embora não esteja claro o que exatamente está causando a contração da corona, Steiner especula que a nuvem de elétrons de alta energia está sendo comprimida pela pressão avassaladora gerada pela avalanche de gás em queda no disco de acreção.

As descobertas oferecem novos insights sobre uma fase importante da explosão de um buraco negro, conhecido como uma transição de um estado difícil para um estado suave. Os cientistas sabem que, em algum momento no início de uma explosão, um buraco negro muda de uma fase "dura" que é dominada pela energia da corona, para uma fase "suave" que é regida mais pelas emissões do disco de acreção.

"Esta transição marca uma mudança fundamental no modo de acreção de um buraco negro, "Steiner diz." Mas não sabemos exatamente o que está acontecendo. Como um buraco negro passa de dominado por uma coroa para seu disco? O disco se move e assume o controle, ou a corona muda e se dissipa de alguma forma? Isso é algo que as pessoas vêm tentando desvendar por décadas. E agora esse é um trabalho definitivo em relação ao que está acontecendo nesta fase de transição, e que o que está mudando é a coroa. "