Quando os astrônomos usam radiotelescópios para observar o céu noturno, eles normalmente veem galáxias de formato elíptico, com jatos gêmeos explodindo de ambos os lados de seu buraco negro supermassivo central. Mas de vez em quando - menos de 10% do tempo - os astrônomos podem detectar algo especial e raro:uma galáxia de rádio em forma de X, com quatro jatos se estendendo pelo espaço.
Embora essas misteriosas galáxias de rádio em forma de X tenham confundido os astrofísicos por duas décadas, um novo estudo da Northwestern University lança uma nova visão sobre como elas se formam – e é surpreendentemente simples. O estudo também descobriu que as rádio-galáxias em forma de X podem ser mais comuns do que se pensava anteriormente.

O estudo será publicado em 29 de agosto no The Astrophysical Journal Letters . Ele marca a primeira simulação de acreção de galáxias em grande escala que rastreia o gás galáctico longe do buraco negro supermassivo até ele.

Condições simples levam a resultados confusos

Usando novas simulações, os astrofísicos do Noroeste implementaram condições simples para modelar a alimentação de um buraco negro supermassivo e a formação orgânica de seus jatos e disco de acreção. Quando os pesquisadores executaram a simulação, as condições simples levaram organicamente e inesperadamente à formação de uma radiogaláxia em forma de X.

Surpreendentemente, os pesquisadores descobriram que a forma X característica da galáxia resultou da interação entre os jatos e o gás caindo no buraco negro. No início da simulação, o gás em queda desviou os jatos recém-formados, que ligavam e desligavam, oscilavam erraticamente e inflavam pares de cavidades em direções diferentes para se assemelhar a uma forma de X. Eventualmente, no entanto, os jatos se tornaram fortes o suficiente para empurrar o gás. Nesse ponto, os jatos se estabilizaram, pararam de oscilar e se propagaram ao longo de um eixo.

"Descobrimos que, mesmo com condições iniciais simétricas simples, você pode ter um resultado bastante confuso", disse Aretaios Lalakos, da Northwestern, que liderou o estudo. "Uma explicação popular de galáxias de rádio em forma de X é que duas galáxias colidem, fazendo com que seus buracos negros supermassivos se fundam, o que altera a rotação do buraco negro remanescente e a direção do jato. ele interage com gás em grande escala envolvendo um buraco negro supermassivo isolado. Agora, nós revelamos, pela primeira vez, que as rádio-galáxias em forma de X podem, de fato, ser formadas de uma maneira muito mais simples."

Lalakos é estudante de pós-graduação no Weinberg College of Arts and Sciences da Northwestern e membro do Centro de Exploração Interdisciplinar e Pesquisa em Astrofísica (CIERA). Ele é co-orientado pelo coautor do artigo Sasha Tchekhovskoy, professor assistente de física e astronomia na Northwestern e membro-chave do CIERA, e Ore Gottlieb, pós-doutorado do CIERA.

Uma forma de X acidental

Embora as galáxias de rádio emitam luz visível, elas também abrangem grandes regiões de emissão de rádio. Talvez a galáxia de rádio mais famosa seja M87, uma das galáxias mais massivas do universo, que foi popularizada ainda mais em 2019, quando o Event Horizon Telescope fotografou seu buraco negro supermassivo central. Criadas pela primeira vez em 1992, as rádio-galáxias em forma de X representam menos de 10% de todas as rádio-galáxias.

Quando Lalakos começou a modelar um buraco negro, ele não esperava simular uma galáxia em forma de X. Em vez disso, ele pretendia medir a quantidade de massa consumida por um buraco negro. Ele inseriu condições astronômicas simples na simulação e deixou-a funcionar. Lalakos não reconheceu inicialmente a importância da emergente forma de X, mas Tchekhovskoy reagiu com fervor entusiasmado.

"Ele disse:'Cara, isso é muito importante! Esta é uma forma de X!'", disse Lalakos. "Ele me disse que os astrônomos observaram isso na vida real e não sabiam como eles se formaram. Nós o criamos de uma maneira que ninguém havia especulado antes."

Em simulações anteriores, outros astrofísicos tentaram criar estruturas em forma de X artificialmente para estudar como elas surgem. Mas a simulação de Lalakos levou organicamente à forma de X.

"Na minha simulação, tentei não supor nada", disse Lalakos. "Normalmente, os pesquisadores colocam um buraco negro no meio de uma grade de simulação e colocam um grande disco gasoso já formado ao redor dele, e então eles podem adicionar gás ambiente fora do disco. Neste estudo, a simulação começa sem um disco, mas logo um se forma quando o gás em rotação se aproxima do buraco negro. Este disco então alimenta o buraco negro e cria jatos. Fiz as suposições mais simples possíveis, então todo o resultado foi uma surpresa. Esta é a primeira vez que alguém vê X em forma de morfologia em simulações de condições iniciais muito simples."

'Não tive a sorte de vê-los'

Como a forma de X surgiu apenas no início da simulação – até que os jatos se fortalecessem e se estabilizassem – Lalakos acredita que as rádio-galáxias em forma de X podem aparecer com mais frequência, mas duram muito pouco tempo no universo do que se pensava anteriormente.

“Eles podem surgir toda vez que o buraco negro recebe novo gás e começa a comer novamente”, disse ele. “Então, eles podem estar acontecendo com frequência, mas podemos não ter a sorte de vê-los porque eles só acontecem enquanto a potência do jato for muito fraca para empurrar o gás para longe”.

Em seguida, Lalakos planeja continuar executando simulações para entender melhor como essas formas em X surgem. Ele espera experimentar o tamanho dos discos de acreção e os giros dos buracos negros centrais. Em outras simulações, Lalakos incluiu discos de acreção que eram quase inexistentes até extremamente grandes - nenhum levou à forma de X indescritível.

"Para a maior parte do universo, é impossível dar um zoom bem no centro e ver o que está acontecendo muito perto de um buraco negro", disse Lalakos. "E mesmo as coisas que podemos observar, somos limitados pelo tempo. Se o buraco negro supermassivo já está formado, não podemos observar sua evolução porque a vida humana é muito curta. Na maioria dos casos, contamos com simulações para entender o que acontece perto de um buraco negro."

O estudo é intitulado “Bridging the Bondi and Event Horizon Scales:3D GRMHD simulations revelam a morfologia de rádio-galáxia em forma de X”. + Explorar mais

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