Astrônomos detectaram linhas espectrais de Ferro no disco de acreção de um buraco negro e também confirmaram mais uma previsão de Teoria da Relatividade Geral de Einstein no campo gravitacional do BN pela primeira vez.
Impressão artística do disco de acreção de um buraco negro. Credito: ESA/ATG medialab
O Observatório de raios-X em órbita da Agência Espacial Europeia, XMM-Newton, provou a existência de um “vórtice gravitacional” em torno de um buraco negro. A descoberta, auxiliado pela missão da NASA’s Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR), resolve um mistério que iludiu os astrônomos há mais de 30 anos, e irá permitir-lhes mapear o comportamento da matéria muito próxima de buracos negros. Também poderia abrir a porta para futuras investigações da relatividade geral de Albert Einstein.
A matéria que cai em um buraco negro aquece à medida que mergulha a sua destino final. Antes de passar pelo horizonte de eventos do buraco negro e se perder de vista para sempre, e a pode chegar a milhões de graus. A essa temperatura, ela emite raios-X no espaço.
Na década de 1980, os astrônomos pioneiros usaram telescópios de raios-X e descobriram que raios-X provenientes de buracos negros de massa estelar na nossa galáxia. As mudanças seguem um padrão definido. Quando a oscilação começa, o escurecimento e re-avivamento pode demorar até 10 segundos para concluir-se. Em dias, semanas e, em seguida, meses, o período diminui até a oscilação ocorrer 10 vezes por segundo. Em seguida, a cintilação de repente pára completamente.
O fenômeno foi apelidado de Oscilação Quasi Periódica (QPO). “Ele foi imediatamente reconhecido em ser algo fascinante porque está vindo de algo muito próximo de um buraco negro”, disse Adam Ingram, da Universidade de Amsterdã, na Holanda, que começou a trabalhar para entender QPOs em sua tese de doutorado em 2009.
Durante os anos 1990, os astrônomos começaram a suspeitar que as QPOs estariam associadas com um efeito gravitacional previsto pela relatividade geral de Einstein: o de que um objeto girando cria uma espécie de vórtice gravitacional.
“É um pouco como torcer uma colher de mel. Imagine que o mel é o espaço e tudo embutido no mel vai ser “arrastado” em torno da da “torção da colher”, explicou Ingram. “Na realidade, isso significa que qualquer coisa que orbita um objeto girando terá seu movimento afetado.” No caso de uma órbita inclinada, ele irá sofrer uma “precessão.” Isto significa que toda a órbita irá alterar a orientação em torno do objeto central. O tempo de órbita para voltar à sua condição inicial é conhecido como um ciclo de precessão.
Em 2004, a NASA lançou a sonda Gravity Probe B para medir esse chamado efeito de Lense-Thirring ou arrasto de referências, em torno da Terra. Após análise cuidadosa, os cientistas confirmaram que a nave espacial iria girar através de um ciclo de precessão completa uma vez a cada 33 milhões de anos.
Em torno de um buraco negro, no entanto, o efeito seria muito mais perceptível devido ao campo gravitacional forte. O ciclo de precessão levaria apenas uma questão de segundos ou menos para ser concluído. Isto é tão próximo dos períodos dos QPOs que os astrônomos começaram a suspeitar de uma ligação.
Ingram começou a trabalhar sobre o problema de olhar para o que aconteceu no disco plano de matéria em torno de um buraco negro. Conhecido como um disco de acreção, é o lugar onde o material espirala gradualmente dentro em direção ao buraco negro. Os cientistas já haviam sugerido que, perto do buraco negro, o disco de acreção bafora-se em um plasma quente, no qual elétrons são arrancados de seus átomos. Denominado o fluxo interno quente, ele diminui de tamanho ao longo de semanas e meses, uma vez que é devorado pelo buraco negro. Juntamente com os colegas, Ingram publicou um artigo, em 2009, no qual sugere que o QPO é impulsionado pela precessão do arrasto de referências deste fluxo quente. Isto é devido ao fato de quanto menor o fluxo interno torna-se, mais próximo do buraco negro ele estaria próximo e de modo mais rápido o seu ciclo de precessão do arrasto de referências ocorreria. A questão era: como provar isso?
“Nós gastamos muito tempo tentando encontrar evidências fumegantes para esse comportamento”, disse Ingram.
A resposta é que o fluxo interno está liberando radiação de alta energia que atinge a matéria do disco de acreção ao redor, fazendo com que os átomos de ferro brilhem como um tubo de luz fluorescente. As libertações raios-X do ferro ocorrerem em um único comprimento de onda – referido como “a linha espectral.”
Uma vez que o disco de acreção está girando, a linha de ferro tem o seu comprimento de onda distorcido pelo efeito Doppler. A linha de emissão do lado que se aproxima do disco é esmagada – desvio para o azul – e linha de emissão a partir do material do disco recuo é esticada – desvio para o vermelho. Se o fluxo interno estiver realmente precessionando, que, por vezes, vai brilhar no material do disco e às vezes aproximar-se sobre o material afastado, ele vai fazer com que a linha oscile para trás e para a frente ao longo de um ciclo de precessão.
Esta impressão artística mostra o disco de acreção ao redor de um buraco negro, em que a região interna do disco se precessa. “Precessão” significa que a órbita do material circundante do buraco negro altera a orientação em torno do objecto central. Créditos: ESA / laboratório de mídia ATG
Mas como ver essa oscilação? É onde o XMM-Newton entra. Ingram e colegas de Amesterdã, Cambridge, Southampton e Tóquio solicitaram uma observação de longo-duração que lhes permitia ver o QPO repetidamente. Eles escolheram o buraco negro H 1743-322, que estava exibindo um QPO de quatro segundos. Eles assistiram durante 260.000 segundos com XMM-Newton. Eles também observaram 70.000 segundos com o observatório de raios-X NUSTAR da NASA.
“A capacidade de alta energia do NUSTAR foi muito importante”, disse Ingram. “NUSTAR confirmou a oscilação da linha de ferro, e, adicionalmente, viu uma característica no espectro chamada de “reflexão corcunda”, que acrescentou evidências de precessão.“
Após um processo de análise rigorosa que adicionou todos os dados observacionais juntos, eles viram que a linha de ferro oscilava de acordo com as previsões da relatividade geral. “Estamos medindo diretamente o movimento da matéria em um forte campo gravitacional perto de um buraco negro”, diz Ingram.
Esta é a primeira vez que o efeito de Arrasto de referências foi medido de um forte campo gravitacional. A técnica permitirá aos astrônomos para mapear a matéria nas regiões do interior de discos de acreção em torno de buracos negros. Ele também aponta para uma nova ferramenta poderosa para testar a relatividade geral.
A teoria de Einstein é praticamente não testada em tais campos gravitacionais fortes. Então, se os astrônomos podem compreender a física da matéria que está fluindo para o buraco negro, eles podem usá-la para testar as previsões da relatividade geral como nunca antes – mas somente se o movimento da matéria no disco de acreção possa ser completamente compreendida.
“Se você pode chegar ao fundo da astrofísica, então você pode realmente testar a relatividade geral”, diz Ingram. Um desvio das previsões da relatividade geral seria bem acolhido por uma grande quantidade de astrônomos e físicos. Seria um sinal concreto que existe uma teoria mais profunda da gravidade.
Maiores telescópios de raios-X no futuro poderão ajudar na busca, pois eles são mais poderosos e poderiam recolher de forma mais eficiente raios-X. Isso permitiria que os astrônomos investigassem o fenômeno QPO em mais detalhes. Mas, por agora, os astrônomos podem se contentar em ter visto a gravidade de Einstein em jogo em torno de um buraco negro.
“Este é um grande avanço desde que o estudo combinou informações sobre o tempo e a energia de fótons de raios-X para resolver o debate de 30 anos em torno da origem dos QPOs. A capacidade de recolher fótons de XMM-Newton foi fundamental para esse trabalho”, disse Norbert Schartel, cientista do projeto da ESA para XMM-Newton.
Via: NASA