O material que cai em um buraco negro lança raios X para o espaço - e agora os astrônomos usaram os ecos dessa radiação para mapear o comportamento dinâmico e os arredores do próprio buraco negro.

A maioria dos buracos negros são muito pequenos no céu para determinarmos seu ambiente imediato, mas ainda podemos explorar esses objetos misteriosos observando como a matéria se comporta à medida que se aproxima, e cai em, eles.

À medida que o material espirala em direção a um buraco negro, é aquecido e emite raios-X que, por sua vez, ecoam e reverberam à medida que interagem com o gás próximo. Essas regiões do espaço são altamente distorcidas e deformadas devido à natureza extrema e à gravidade esmagadoramente forte do buraco negro.

Agora, pesquisadores usaram o observatório de raios-X XMM-Newton da Agência Espacial Europeia para rastrear esses ecos de luz e mapear os arredores do buraco negro no centro de uma galáxia ativa. Seus resultados são relatados no jornal Astronomia da Natureza .

Nomeado IRAS 13224-3809, a galáxia hospedeira do buraco negro é uma das fontes de raios-X mais variáveis ​​no céu, passando por flutuações muito grandes e rápidas no brilho de um fator de 50 em poucas horas.

"Todos estão familiarizados com a forma como o eco de sua voz soa diferente quando se fala em uma sala de aula em comparação com uma catedral - isso se deve simplesmente à geometria e aos materiais das salas, que faz com que o som se comporte e salte de forma diferente, "disse o Dr. William Alston do Instituto de Astronomia de Cambridge, autor principal do novo estudo.

"De maneira semelhante, podemos observar como os ecos da radiação de raios X se propagam nas proximidades de um buraco negro para mapear a geometria de uma região e o estado de um aglomerado de matéria antes que ele desapareça na singularidade. É um pouco como eco-localização cósmica. "

Como a dinâmica do gás em queda está fortemente ligada às propriedades do buraco negro consumidor, Alston e seus colegas também foram capazes de determinar a massa e o giro do buraco negro central da galáxia observando as propriedades da matéria enquanto ela espiralava para dentro.

O material forma um disco ao cair no buraco negro. Acima desse disco está uma região de elétrons quentes - com temperaturas de cerca de um bilhão de graus - chamada corona. Enquanto os cientistas esperavam ver os ecos de reverberação que usaram para mapear a geometria da região, eles também notaram algo inesperado:a própria corona mudou de tamanho rapidamente, em questão de dias.

"À medida que o tamanho da corona muda, o mesmo acontece com o eco de luz - um pouco como se o teto da catedral estivesse se movendo para cima e para baixo, mudando como o eco da sua voz soa, "disse Alston.

"Rastreando os ecos da luz, fomos capazes de rastrear essa mudança de corona, e - o que é ainda mais empolgante - obter valores muito melhores para a massa e rotação do buraco negro do que poderíamos ter determinado se a corona não estivesse mudando de tamanho. Sabemos que a massa do buraco negro não pode flutuar, portanto, quaisquer mudanças no eco devem ser atribuídas ao ambiente gasoso. "

O estudo usou a observação mais longa de um buraco negro de acreção já feita com o XMM-Newton, coletou mais de 16 órbitas de espaçonaves em 2011 e 2016 e totalizou 2 milhões de segundos - pouco mais de 23 dias. Esse, combinada com a variabilidade forte e de curto prazo do próprio buraco negro, permitiu que Alston e colaboradores modelassem os ecos de forma abrangente em escalas de tempo de um dia inteiro.

A região explorada neste estudo não é acessível para observatórios como o Event Horizon Telescope, que conseguiu tirar a primeira foto de gás nas imediações de um buraco negro - aquele situado no centro da massiva galáxia M87. O resultado, com base em observações realizadas com radiotelescópios em todo o mundo em 2017 e publicadas no ano passado, tornou-se uma sensação global.

"A imagem do Event Horizon Telescope foi obtida usando um método conhecido como interferometria - uma técnica que só pode funcionar nos poucos buracos negros supermassivos mais próximos da Terra, como aqueles em M87 e em nossa galáxia, a via Láctea, porque seu tamanho aparente no céu é grande o suficiente para o método funcionar, "disse o co-autor Michael Parker, que é bolseiro de investigação da ESA no Centro Europeu de Astronomia Espacial perto de Madrid.

"Por contraste, nossa abordagem é capaz de sondar as centenas de buracos negros supermassivos mais próximos que estão consumindo matéria ativamente - e esse número aumentará significativamente com o lançamento do satélite Athena da ESA. "

Caracterizar os ambientes próximos aos buracos negros é um objetivo científico fundamental para a missão Atenas da ESA, cujo lançamento está previsto para o início de 2030 e irá desvendar os segredos do Universo quente e energético.

Medindo a massa, As taxas de rotação e acréscimo de uma grande amostra de buracos negros são a chave para compreender a gravidade em todo o cosmos. Adicionalmente, uma vez que os buracos negros supermassivos estão fortemente ligados às propriedades de sua galáxia hospedeira, esses estudos também são essenciais para aprofundar nosso conhecimento de como as galáxias se formam e evoluem ao longo do tempo.

"O grande conjunto de dados fornecido pelo XMM-Newton foi essencial para este resultado, "disse Norbert Schartel, Cientista do Projeto ESA XMM-Newton. "O mapeamento de reverberação é uma técnica que promete revelar muito sobre os buracos negros e o Universo mais amplo nos próximos anos. Espero que o XMM-Newton realize campanhas de observação semelhantes para várias galáxias mais ativas nos próximos anos, para que o método esteja totalmente estabelecido quando Athena for lançado. "