Astrônomos descobrem uma estranha regra universal por trás das erupções de buracos negros

A descoberta, publicada em Astronomia da Naturezasugere que os buracos negros podem ativar os seus jatos na mesma fase crítica do seu ciclo de alimentação, quer pesem cerca de 10 vezes mais que o Sol ou milhões de vezes mais.

A pesquisa foi liderada pela Dra. Adelle Goodwin, astrofísica do Centro Internacional de Pesquisa em Radioastronomia (ICRAR) da Universidade Curtin e bolsista da Forrest Research Foundation, ao lado do co-autor Dr.

A descoberta surgiu após anos de estudo de eventos incomuns em que buracos negros supermassivos destroem estrelas. Ao combinar observações de telescópios na Austrália, nos Estados Unidos, na Índia, na África do Sul e no espaço, os cientistas reuniram uma imagem mais clara de como os buracos negros se comportam à medida que consomem matéria.

Surpreendentemente, o insight crucial não surgiu durante o exame de um telescópio. Aconteceu num bar em Madrid, onde Goodwin e Mummery participavam numa conferência científica. Durante uma conversa, eles reconheceram que a mesma regra conhecida por reger a formação de jatos em buracos negros relativamente pequenos também parecia aplicar-se aos seus homólogos supermassivos.

Por que alguns buracos negros entram em erupção anos depois de devorar estrelas

Um dos maiores mistérios que os pesquisadores queriam explicar era por que os buracos negros nem sempre lançam jatos ao mesmo tempo.

Quando um buraco negro supermassivo destrói uma estrela, às vezes produz um jato poderoso quase imediatamente. Noutros casos, o buraco negro parece relativamente calmo durante meses ou mesmo anos antes de produzir repentinamente uma saída de rádio detectável.

“Estávamos observando esses eventos e perguntando por que o momento era tão diferente”, disse o Dr. Goodwin.

“Então o padrão ficou claro. Os jatos atrasados ​​estavam aparecendo quando a taxa de alimentação do buraco negro caiu para o mesmo ponto crítico já conhecido de buracos negros muito menores.

“Foi nesse momento que percebemos que isto não era apenas uma peculiaridade de um tipo de buraco negro, mas parecia uma regra que se aplicava a todo o Universo.”

Embora os buracos negros sejam frequentemente retratados como aspiradores cósmicos que engolem qualquer coisa que esteja por perto, o seu comportamento alimentar é muito mais complicado.

À medida que o material espirala em direção a um buraco negro, nem todo ele necessariamente desaparece além do horizonte de eventos, a fronteira além da qual nada pode escapar. Em vez disso, alguma matéria pode ser expelida para o espaço através de jatos poderosos e outros fluxos.

“Quando um buraco negro destrói uma estrela, ele não engole tudo perfeitamente”, disse o Dr. Goodwin.

“Parte do material é consumido e parte é lançada de volta ao espaço em poderosos jatos e fluxos.

“Você pode pensar nisso como um arroto de um buraco negro, exceto que esses arrotos podem explodir material através de distâncias enormes e influenciar as galáxias ao seu redor.”

Estas enormes saídas podem transportar energia e matéria para longe do buraco negro, afetando potencialmente a galáxia circundante.

Como os cientistas estudaram buracos negros supermassivos em ação

Os astrónomos há muito que suspeitam que os buracos negros funcionam de acordo com as mesmas leis físicas subjacentes, independentemente da sua massa. Demonstrar essa conexão, no entanto, tem sido difícil.

Um grande obstáculo é o tempo. O comportamento alimentar de um buraco negro supermassivo pode mudar ao longo de milhares de anos, tornando quase impossível para os astrônomos observar o desenrolar de um ciclo completo.

Goodwin e os seus colegas abordaram este problema examinando eventos raros conhecidos como eventos de perturbação das marés.

Estas ocorrem quando uma estrela passa demasiado perto de um buraco negro supermassivo e experimenta forças gravitacionais tão extremas que é dilacerada. Alguns dos detritos resultantes caem em direção ao buraco negro, aumentando temporariamente a sua atividade de alimentação.

Ao contrário das mudanças muito mais longas normalmente associadas aos buracos negros supermassivos, estes episódios dramáticos podem durar apenas alguns anos. Isto dá aos cientistas uma oportunidade incomum de acompanhar como um buraco negro gigante responde à medida que o seu fornecimento de material muda.

A equipe examinou inicialmente 20 eventos de perturbação de marés usando observações coletadas em luz visível, ultravioleta, raios X e comprimentos de onda de rádio. Selecionaram então 10 eventos para os quais os dados disponíveis lhes permitiram estimar de forma fiável tanto a taxa a que o buraco negro estava a consumir matéria como o momento das suas saídas de rádio.

Ao comparar esses eventos, os pesquisadores identificaram um padrão notavelmente consistente.

Uma regra universal de 2% para jatos de buraco negro

As observações revelaram dois estágios distintos durante os quais os buracos negros podem produzir jatos.

A primeira ocorre no início do processo de alimentação, quando o buraco negro consome matéria a uma taxa excepcionalmente elevada.

A segunda pode acontecer muito mais tarde, centenas ou mesmo milhares de dias após a destruição inicial da estrela.

Durante esta fase atrasada, os jatos aparecem quando a taxa de alimentação do buraco negro cai para aproximadamente 2% do seu limite de Eddington.

O limite de Eddington é uma referência teórica que descreve o ponto em que a pressão externa produzida pela radiação equilibra a atração da gravidade para dentro. Os astrónomos utilizam-no para medir a intensidade com que um buraco negro se alimenta em relação a um limite físico característico.

O que torna a descoberta especialmente significativa é que o mesmo limite de 2% já foi associado à formação de jatos em buracos negros muito menores dentro da nossa própria galáxia, a Via Láctea.

Por outras palavras, os buracos negros separados por enormes diferenças de massa parecem activar jactos retardados essencialmente à mesma taxa de alimentação relativa.

“Estes buracos negros estão separados por enormes diferenças de massa, mas parecem ligar os seus jactos no mesmo ponto do processo de alimentação,” disse o Dr. Goodwin.

“Isso diz-nos algo fundamental sobre os buracos negros: a física não parece importar-se com o seu tamanho.”

A descoberta fornece uma explicação potencial para uma observação que de outra forma seria intrigante. Alguns buracos negros geram jatos de rádio logo após destruir uma estrela, enquanto outros parecem inativos antes de produzirem fluxos poderosos muito mais tarde.

Em vez de se comportarem de forma imprevisível, estas erupções retardadas podem ser governadas por um limiar físico comum.

Prevendo quando os buracos negros lançarão jatos

Além de revelar algo fundamental sobre a física dos buracos negros, a descoberta poderá ajudar os astrónomos a fazer um uso muito melhor dos poderosos radiotelescópios.

O tempo de observação nas principais instalações científicas é limitado e altamente competitivo. Os pesquisadores devem decidir cuidadosamente quais objetos estudar, com que frequência observá-los e quando é mais provável que revelem algo importante.

Se os astrônomos puderem estimar quando a taxa de alimentação de um buraco negro se aproximará do limiar crítico, eles poderão prever quando é provável que um jato atrasado apareça.

“Os radiotelescópios são incrivelmente poderosos, mas saber quando olhar é tão importante quanto saber para onde olhar”, disse o Dr. “Se conseguirmos prever quando é mais provável que um buraco negro lance um jato, poderemos realizar campanhas mais bem direcionadas, desperdiçar menos observações e melhorar as nossas hipóteses de captar estes eventos raros no momento em que são mais importantes.”

Isto poderia reduzir observações de acompanhamento desnecessárias e, ao mesmo tempo, aumentar as chances de detectar episódios raros de lançamento de jatos em momentos cruciais.

As implicações são particularmente importantes para a Austrália Ocidental, que acolherá a componente de baixa frequência do Square Kilometer Array Observatory (SKA), um dos maiores e mais ambiciosos projectos de radioastronomia alguma vez realizados.

O governo australiano investiu US$ 387 milhões no SKA, enquanto o custo total do projeto excede US$ 2 bilhões. Fazer uma utilização mais eficiente de uma instalação tão cara poderia proporcionar benefícios substanciais aos astrónomos e à comunidade científica em geral, permitindo potencialmente que descobertas mais importantes fossem feitas com o tempo de observação disponível.

À medida que a próxima geração de pesquisas astronómicas identifica um número crescente de eventos de perturbação das marés, os investigadores enfrentarão um desafio cada vez mais difícil para decidir quais deles merecem mais atenção.

A relação recentemente identificada entre as taxas de alimentação e a formação de jatos poderá fornecer um guia valioso, ajudando os cientistas a concentrarem as suas observações nos buracos negros com maior probabilidade de produzirem fluxos detetáveis.

Um avanço no buraco negro impulsionado pela curiosidade

O professor James Arvanitakis, diretor da Forrest Research Foundation, disse que a descoberta destaca a importância de apoiar cientistas em início de carreira que perseguem questões ambiciosas sem saber antecipadamente aonde as respostas o levarão.

Este tipo de investigação aberta, muitas vezes descrita como investigação “céu azul”, pode produzir descobertas inesperadas com benefícios que vão muito além da questão científica original.

“A Forrest Research Foundation não financiou uma resposta predeterminada, apoiamos um pesquisador excepcional com uma pergunta difícil”, disse o professor Arvanitakis.

“Essa questão levou a uma descoberta de importância internacional. É exactamente por isso que a investigação fundamental é importante – expande o que sabemos, aguça a forma como utilizamos as principais infra-estruturas científicas e cria capacidades que vão muito além da astronomia.

“O facto de esta descoberta ter sido conduzida a partir da Austrália Ocidental demonstra a força do nosso ecossistema de investigação e o valor de dar a pessoas notáveis ​​uma razão para construir as suas carreiras aqui.”

Ao ligar o comportamento de buracos negros relativamente pequenos ao de gigantes supermassivos, as descobertas reforçam a ideia de que os mesmos processos físicos básicos operam em escalas muito diferentes.

Oferecem também aos astrónomos uma forma mais fiável de antecipar um dos fenómenos mais dramáticos do Universo: o momento em que um buraco negro começa a lançar um poderoso jacto para o espaço.