Fotos claras e nítidas do Observatório de Raios-X Chandra ajudam o astrofísico a estudar buracos negros energéticos

A espaçonave Chandra e seus componentes. Crédito:NASA/CXC/SAO e J.Vaughan

Quando uma estrela nasce ou morre, ou quando ocorre qualquer outro fenômeno muito energético no universo, ela emite raios X, que são partículas de luz de alta energia que não são visíveis a olho nu. Esses raios X são do mesmo tipo que os médicos usam para tirar fotos de ossos quebrados dentro do corpo. Mas em vez de olhar para as sombras produzidas pelos ossos que bloqueiam os raios X dentro de uma pessoa, os astrónomos detectam raios X voando através do espaço para obter imagens de eventos como buracos negros e supernovas.

Imagens e espectros – gráficos que mostram a distribuição da luz em diferentes comprimentos de onda de um objeto – são as duas principais formas pelas quais os astrônomos investigam o universo. As imagens dizem-lhes como são as coisas e onde certos fenómenos estão a acontecer, enquanto os espectros dizem-lhes quanta energia têm os fotões, ou partículas de luz, que estão a recolher. Os espectros podem dar-lhes uma pista sobre como o evento de onde vieram se formou. Ao estudar objetos complexos, eles precisam de imagens e espectros.

Cientistas e engenheiros projetaram o Observatório de Raios X Chandra para detectar esses raios X. Desde 1999, os dados do Chandra têm fornecido aos astrónomos imagens incrivelmente detalhadas de alguns dos eventos mais dramáticos do Universo.

A formação e a morte de estrelas criam explosões de supernovas que enviam elementos químicos para o espaço. Chandra observa enquanto o gás e as estrelas caem nas profundezas da atração gravitacional dos buracos negros, e isso é testemunho de como o gás que é mil vezes mais quente que o Sol escapa das galáxias em ventos explosivos. Ele pode ver quando a gravidade de enormes massas de matéria escura retém esse gás quente em bolsas gigantescas.

A NASA projetou o Chandra para orbitar ao redor da Terra porque não seria capaz de ver nenhuma dessas atividades na superfície da Terra. A atmosfera da Terra absorve raios X vindos do espaço, o que é ótimo para a vida na Terra porque esses raios X podem prejudicar organismos biológicos. Mas também significa que mesmo que a NASA colocasse o Chandra no topo da montanha mais alta, ainda assim não seria capaz de detectar quaisquer raios-X. A NASA precisava enviar o Chandra ao espaço.

Sou astrofísico do Observatório Astrofísico Smithsonian, parte do Centro de Astrofísica | Harvard e Smithsonian. Tenho trabalhado no Chandra desde antes de seu lançamento, há 25 anos, e foi um prazer ver o que o observatório pode ensinar aos astrônomos sobre o universo.

À esquerda está a supernova Cassiopeia A. A imagem tem cerca de 19 anos-luz de diâmetro e diferentes cores na imagem identificam diferentes elementos químicos (vermelho indica silício, amarelo indica enxofre, ciano indica cálcio, roxo indica ferro e azul indica alta energia). O ponto no centro poderia ser a estrela de nêutrons remanescente da estrela explodida. À direita estão as galáxias ‘Antenas’ em colisão, que formam uma estrutura gigantesca com cerca de 30.000 anos-luz de diâmetro. Crédito:Chandra X-ray Center

Buracos negros supermassivos e suas galáxias hospedeiras

Os astrônomos encontraram buracos negros supermassivos, que têm massas de dez a 100 milhões de vezes a do nosso Sol, nos centros de todas as galáxias. Esses buracos negros supermassivos estão em sua maioria pacificamente, e os astrônomos podem detectá-los observando a atração gravitacional que exercem sobre estrelas próximas.

Mas às vezes estrelas ou nuvens caem nesses buracos negros, o que os ativa e faz com que a região próxima ao buraco negro emita muitos raios X. Uma vez ativados, eles são chamados de núcleos galácticos ativos, AGN ou quasares.

Os meus colegas e eu queríamos compreender melhor o que acontece à galáxia hospedeira quando o seu buraco negro se transforma num AGN. Escolhemos uma galáxia, ESO 428-G014, para observar com o Chandra.

Um AGN pode ofuscar sua galáxia hospedeira, o que significa que mais luz vem do AGN do que todas as estrelas e outros objetos na galáxia hospedeira. O AGN também deposita muita energia dentro dos limites da sua galáxia hospedeira. Este efeito, que os astrónomos chamam de feedback, é um ingrediente importante para os investigadores que estão a construir simulações que modelam como o Universo evolui ao longo do tempo. Mas ainda não sabemos qual o papel que a energia de um AGN desempenha na formação de estrelas na sua galáxia hospedeira.

Felizmente, as imagens do Chandra podem fornecer informações importantes. Eu uso técnicas computacionais para construir e processar imagens do observatório que podem me informar sobre esses AGNs.

O buraco negro supermassivo ativo do ESO 428-G014 produz raios X que iluminam uma grande área, estendendo-se até 15.000 anos-luz de distância do buraco negro. A imagem básica que gerei do ESO 428-G014 com dados do Chandra diz-me que a região próxima do centro é a mais brilhante e que existe uma região grande e alongada de emissão de raios-X.

Os mesmos dados, numa resolução ligeiramente superior, mostram duas regiões distintas com elevadas emissões de raios X. Há uma “cabeça”, que abrange o centro, e uma “cauda” ligeiramente curva, que se estende para baixo a partir desta região central.

Também posso processar os dados com um algoritmo de suavização adaptativo que traz a imagem para uma resolução ainda maior e cria uma imagem mais clara da aparência da galáxia. Isto mostra nuvens de gás em torno do centro brilhante.

Minha equipe conseguiu ver algumas das maneiras como o AGN interage com a galáxia. As imagens mostram ventos nucleares varrendo a galáxia, nuvens densas e gás interestelar refletindo a luz de raios X, e jatos emitindo ondas de rádio que aquecem as nuvens na galáxia.

Essas imagens nos ensinam como esse processo de feedback funciona em detalhes e como medir quanta energia um AGN deposita. Estes resultados ajudarão os investigadores a produzir simulações mais realistas de como o universo evolui.

Os próximos 25 anos da astronomia de raios X

O ano de 2024 marca o 25º ano desde que o Chandra começou a fazer observações do céu. Meus colegas e eu continuamos a depender do Chandra para responder perguntas sobre a origem do universo que nenhum outro telescópio consegue.

Ao fornecer aos astrônomos dados de raios X, os dados do Chandra complementam informações do Telescópio Espacial Hubble e do Telescópio Espacial James Webb para dar aos astrônomos respostas exclusivas para questões abertas em astrofísica, como de onde vieram os buracos negros supermassivos encontrados no centro de todas as galáxias. de.

Para esta questão específica, os astrônomos usaram o Chandra para observar uma galáxia distante observada pela primeira vez pelo Telescópio Espacial James Webb. Esta galáxia emitiu a luz captada por Webb há 13,4 mil milhões de anos, quando o Universo era jovem. Os dados de raios X do Chandra revelaram um buraco negro supermassivo brilhante nesta galáxia e sugeriram que buracos negros supermassivos podem se formar pelo colapso das nuvens no início do universo.

Imagens nítidas foram cruciais para essas descobertas. Mas espera-se que o Chandra dure apenas mais 10 anos. Para continuar a busca por respostas, os astrônomos precisarão começar a projetar um observatório de raios X “super Chandra” que poderá suceder o Chandra nas próximas décadas, embora a NASA ainda não tenha anunciado nenhum plano firme para fazê-lo.

Fornecido por The Conversation

Este artigo foi republicado de The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.