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Os buracos negros supermassivos são responsáveis por algumas das luzes mais brilhantes do Universo. Contudo, não são bem eles que produzem essas luzes. O que efetivamente produz sua luz forte é o material ao seu redor, à medida que sugam ativamente estas matérias.
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Dentre os mais brilhantes materiais quentes rodopiantes, existem galáxias conhecidas como blazares. Elas não apenas brilham com o calor de uma espécie de casaco brilhante, mas também canalizam materiais em feixes “ardentes” que que atravessam o cosmos, espalhando radiação eletromagnética em energias difíceis de entender.
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Cientistas finalmente descobriram o mecanismo que produz as incríveis luzes de alta energia que nos alcança de anos atrás: choques nos jatos do buraco negro que aumentam a velocidade das partículas a velocidades alucinantes. A pesquisa foi publicada na Nature Astronomy.
“Este é um mistério de 40 anos que resolvemos”, disse o astrônomo Yannis Liodakis, do Centro Finlandês de Astronomia com o ESO (FINCA). “Finalmente tínhamos todas as peças do quebra-cabeça e a imagem que elas formavam era clara.”
A maioria das galáxias do Universo é construída em torno de um buraco negro supermassivo. Esses objetos incrivelmente grandes ficam no centro galáctico, às vezes fazendo muito pouco (como Sagitário A*, o buraco negro no coração da Via Láctea) e às vezes fazendo muito.
Essa atividade consiste em agregar material. Uma vasta nuvem se forma em disco equatorial ao redor do buraco negro, circulando-o como água em torno de um ralo.
As interações friccionais e gravitacionais em jogo no espaço extremo em torno de um buraco negro fazem com que esse material aqueça e brilhe intensamente em uma variedade de comprimentos de onda. Essa é uma fonte de luz de um buraco negro.
O outro – o que está em jogo nos blazares – são jatos gêmeos de material lançados das regiões polares fora do buraco negro, perpendiculares ao disco. Acredita-se que esses jatos sejam material da borda interna do disco que, em vez de cair em direção ao buraco negro, é acelerado ao longo das linhas do campo magnético externo até os polos, onde é lançado em velocidades muito altas, próximas à velocidade da luz.
Para que uma galáxia seja classificada como blazar, esses jatos devem ser apontados quase que diretamente para o observador. Somos nós, na Terra. Graças à extrema aceleração das partículas, eles brilham com luz em todo o espectro eletromagnético, incluindo gama de alta energia e raios-X.
Exatamente como esse jato acelera as partículas a velocidades tão altas tem sido um ponto de interrogação cósmico gigante por décadas. Mas, agora, um novo e poderoso telescópio de raios-X, chamado Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE), lançado em dezembro de 2021, deu aos cientistas a chave para resolver o mistério. É o primeiro telescópio espacial que revela a orientação, ou polarização, dos raios-X.
“As primeiras medidas de polarização de raios-X dessa classe de fontes permitiram, pela primeira vez, comparação direta com os modelos desenvolvidos a partir da observação de outras frequências de luz, do rádio aos raios gama de altíssima energia”, diz o astrônomo Immacolata Donnarumma, da Agência Espacial Italiana.
O IXPE foi direcionado para o objeto de alta energia mais brilhante do nosso céu, um blazar chamado Markarian 501, localizado a 460 milhões de anos-luz de distância na constelação de Hércules. Durante um total de seis dias, em março de 2022, o telescópio coletou dados sobre a luz de raios-X emitida pelo jato do blazar.
Ao mesmo tempo, outros observatórios estavam medindo a luz de outras faixas de comprimento de onda, do rádio ao óptico, que anteriormente eram os únicos dados disponíveis para o Markarian 501.
A equipe logo notou curiosa diferença na luz de raios-X. Sua orientação era significativamente mais torcida ou polarizada do que os comprimentos de onda de energia mais baixa. E a luz óptica era mais polarizada que as frequências de rádio.
No entanto, a direção da polarização foi a mesma para todos os comprimentos de onda e alinhada com a direção do jato. Isso, descobriu a equipe, é consistente com modelos nos quais choques nos jatos produzem ondas de choque que fornecem aceleração adicional ao longo do comprimento do jato.
Mais próximo do choque, essa aceleração é máxima, produzindo radiação X. Mais adiante no jato, as partículas perdem energia, produzindo emissões ópticas de menor energia e depois de rádio, com menor polarização.
“À medida que a onda de choque atravessa a região, o campo magnético fica mais forte e a energia das partículas aumenta”, diz o astrônomo Alan Marscher, da Universidade de Boston. “A energia vem da energia de movimento do material que produz a onda de choque.”
Não está claro o que cria os choques, mas um mecanismo possível é o material mais rápido no jato alcançando aglomerados que se movem mais lentamente, resultando em colisões. Pesquisas futuras podem ajudar a confirmar essa hipótese.
Como os blazares estão entre os aceleradores de partículas mais poderosos do Universo e um dos melhores laboratórios para entender a física extrema, essa pesquisa marca peça muito importante do quebra-cabeça.
Pesquisas futuras continuarão a observar o Markarian 501 e mirar o IXPE em outros blazares para ver se uma polarização semelhante pode ser detectada.
Via Science Alert
Imagem destacada: van van/Shutterstock
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