Astrônomos do MIT, da NASA e de outros lugares têm uma nova maneira de medir a velocidade de rotação de um buraco negro, usando as oscilações resultantes de seu banquete estelar.



O método tira vantagem de um evento de perturbação de maré de um buraco negro – um momento extremamente brilhante quando um buraco negro exerce marés sobre uma estrela que passa e a despedaça. À medida que a estrela é perturbada pelas imensas forças de maré do buraco negro, metade da estrela é expelida, enquanto a outra metade é lançada em torno do buraco negro, gerando um disco de acreção intensamente quente de material estelar em rotação.

A equipe liderada pelo MIT mostrou que a oscilação do disco de acreção recém-criado é a chave para descobrir o spin inerente do buraco negro central.

Em um estudo publicado na Nature , os astrónomos relatam que mediram a rotação de um buraco negro supermassivo próximo, rastreando o padrão de flashes de raios X que o buraco negro produziu imediatamente após um evento de perturbação de maré.

A equipe acompanhou os flashes ao longo de vários meses e determinou que eles eram provavelmente um sinal de um disco de acreção brilhante e quente que oscilava para frente e para trás enquanto era empurrado e puxado pela rotação do próprio buraco negro.

Ao acompanhar a forma como a oscilação do disco mudou ao longo do tempo, os cientistas puderam descobrir o quanto o disco estava a ser afetado pela rotação do buraco negro e, por sua vez, a que velocidade o próprio buraco negro girava. A sua análise mostrou que o buraco negro girava a menos de 25% da velocidade da luz – relativamente lento, no que diz respeito aos buracos negros.

O principal autor do estudo, o cientista pesquisador do MIT Dheeraj “DJ” Pasham, diz que o novo método pode ser usado para medir as rotações de centenas de buracos negros no universo local nos próximos anos. Se os cientistas conseguirem estudar as rotações de muitos buracos negros próximos, poderão começar a compreender como os gigantes gravitacionais evoluíram ao longo da história do Universo.

"Ao estudar vários sistemas nos próximos anos com este método, os astrónomos podem estimar a distribuição global das rotações dos buracos negros e compreender a antiga questão de como evoluem ao longo do tempo," diz Pasham, que é membro do Instituto Kavli de Astrofísica do MIT e Pesquisa Espacial.

Os coautores do estudo incluem colaboradores de diversas instituições, incluindo a NASA, a Universidade Masaryk na República Tcheca, a Universidade de Leeds, a Universidade de Siracusa, a Universidade de Tel Aviv, a Academia Polonesa de Ciências e outros lugares.

Calor fragmentado

Cada buraco negro tem um giro inerente que foi moldado pelos seus encontros cósmicos ao longo do tempo. Se, por exemplo, um buraco negro cresceu principalmente através de acreção – breves momentos em que algum material cai no disco, isso faz com que o buraco negro gire a velocidades bastante elevadas. Em contraste, se um buraco negro cresce principalmente através da fusão com outros buracos negros, cada fusão pode abrandar as coisas à medida que a rotação de um buraco negro se encontra com a rotação do outro.

À medida que um buraco negro gira, ele arrasta consigo o espaço-tempo circundante. Este efeito de arrasto é um exemplo da precessão de Lense-Thirring, uma teoria de longa data que descreve as formas como campos gravitacionais extremamente fortes, como os gerados por um buraco negro, podem atrair o espaço e o tempo circundantes. Normalmente, este efeito não seria óbvio em torno dos buracos negros, uma vez que os objetos massivos não emitem luz.

Mas nos últimos anos, os físicos propuseram que, em casos como durante um evento de perturbação de marés, ou TDE, os cientistas poderiam ter a oportunidade de rastrear a luz dos detritos estelares à medida que estes são arrastados. Então, eles poderão esperar medir a rotação do buraco negro.

Em particular, durante uma TDE, os cientistas prevêem que uma estrela pode cair sobre um buraco negro a partir de qualquer direção, gerando um disco de material incandescente e fragmentado que pode ser inclinado ou desalinhado em relação à rotação do buraco negro. (Imagine o disco de acréscimo como um donut inclinado que gira em torno de um buraco de donut que tem seu próprio giro separado.)

À medida que o disco encontra a rotação do buraco negro, ele oscila enquanto o buraco negro o alinha. Eventualmente, a oscilação diminui à medida que o disco se acomoda na rotação do buraco negro. Os cientistas previram que o disco oscilante de um TDE deveria, portanto, ser uma assinatura mensurável da rotação do buraco negro.

“Mas a chave era ter as observações corretas”, diz Pasham. "A única maneira de fazer isso é, assim que ocorrer um evento de perturbação de maré, você precisará de um telescópio para observar esse objeto continuamente, por um tempo muito longo, para poder sondar todos os tipos de escalas de tempo, de minutos a minutos. a meses."

Uma captura de alta cadência

Nos últimos cinco anos, Pasham tem procurado eventos de perturbação das marés que sejam suficientemente brilhantes e próximos o suficiente para acompanhar e rastrear rapidamente sinais de precessão de Lense-Thirring. Em fevereiro de 2020, ele e seus colegas tiveram sorte, com a detecção do AT2020ocn, um flash brilhante, emanando de uma galáxia a cerca de um bilhão de anos-luz de distância, que foi inicialmente detectado na banda óptica pelo Zwicky Transient Facility.

A partir dos dados ópticos, o flash pareceu ser o primeiro momento após um TDE. Sendo brilhante e relativamente próximo, Pasham suspeitou que o TDE poderia ser o candidato ideal para procurar sinais de oscilação do disco e, possivelmente, medir a rotação do buraco negro no centro da galáxia hospedeira. Mas para isso ele precisaria de muito mais dados.

“Precisávamos de dados rápidos e de alta cadência”, diz Pasham. "A chave era detectar isso logo no início, porque essa precessão, ou oscilação, só deveria estar presente no início. Mais tarde, o disco não oscilaria mais."

A equipe descobriu que o telescópio NICER da NASA foi capaz de captar o TDE e ficar de olho nele continuamente durante meses. NICER – uma abreviatura de Neutron Star Interior Composition ExploreR – é um telescópio de raios X na Estação Espacial Internacional que mede a radiação de raios X em torno de buracos negros e outros objetos gravitacionais extremos.

Pasham e seus colegas analisaram as observações do NICER do AT2020ocn mais de 200 dias após a detecção inicial do evento de perturbação das marés. Eles descobriram que o evento emitia raios X que pareciam atingir o pico a cada 15 dias, durante vários ciclos, antes de finalmente desaparecerem.

Eles interpretaram os picos como momentos em que o disco de acreção do TDE oscilou de frente, emitindo raios X diretamente em direção ao telescópio do NICER, antes de oscilar enquanto continuava a emitir raios X (semelhante a apontar uma lanterna para alguém a cada 15 dias). ).

Os pesquisadores pegaram esse padrão de oscilação e o transformaram na teoria original da precessão de Lense-Thirring. Com base em estimativas da massa do buraco negro e da estrela perturbada, conseguiram chegar a uma estimativa da rotação do buraco negro – menos de 25% da velocidade da luz.

Os seus resultados marcam a primeira vez que os cientistas usaram observações de um disco oscilante após um evento de perturbação de maré para estimar a rotação de um buraco negro. À medida que novos telescópios, como o Observatório Rubin, entrarem em operação nos próximos anos, Pasham prevê mais oportunidades para determinar as rotações dos buracos negros.

“O giro de um buraco negro supermassivo conta a história desse buraco negro”, diz Pasham. "Mesmo que uma pequena fração daqueles que Rubin captura tenham este tipo de sinal, agora temos uma forma de medir os spins de centenas de TDEs. Então poderíamos fazer uma grande afirmação sobre como os buracos negros evoluem ao longo da idade do Universo. "