Esta imagem mostra a representação artística das regiões internas de um quasar alimentado por um buraco negro supermassivo no centro. À medida que o disco de gás e poeira cai no buraco negro, as altas temperaturas criam luz. As diferenças nessa luz podem ajudar os astrônomos a medir a massa do buraco negro.
(Imagem: © Nahks Tr'Ehnl / Catherine Grier (Penn State) / colaboração SDSS)
Os buracos negros dos monstros se escondem no centro da maioria das galáxias do universo e, agora, uma nova técnica está ajudando os cientistas a medir a massa de alguns dos maiores buracos negros do universo, mesmo quando estão no centro de pontos fracos e distantes. galáxias. A nova abordagem poderia melhorar drasticamente a compreensão dos cientistas sobre como esses gigantes se formam e evoluem, e como eles influenciam a evolução da galáxia.
"Esta é a primeira vez que medimos diretamente massas para tantos buracos negros supermassivos tão distantes", disse Catherine Grier, pós-doutora em Penn State, em comunicado do Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Grier liderou um projeto para medir as massas de uma grande quantidade de buracos negros supermassivos usando dados do SDSS. Ela relatou os resultados na terça-feira (9 de janeiro) na reunião da American Astronomical Society em National Harbor, Maryland.
"Essas novas medidas, e futuras medidas como elas, fornecerão informações vitais para as pessoas que estudam como as galáxias crescem e evoluem ao longo do tempo cósmico", disse Grier. [Imagens: Buracos Negros do Universo]
Buracos negros de medição de massa
Com base em décadas de observações galácticas, os astrônomos agora teorizam que o coração de quase todas as galáxias grandes contém um buraco negro supermassivo (SMBH). Essas bestas monstruosas podem ser milhões ou bilhões de vezes mais massivas que o sol da Terra. Os buracos negros não irradiam ou refletem luz, portanto, essas SMBHs não podem ser vistas diretamente. Mas à medida que a gravidade de uma SMBH atrai poeira e gás da galáxia circundante, ela cria um disco rodopiante de material que cai no buraco negro. Esse material infalente esquenta e começa a irradiar luz, tornando o buraco negro "visível" (embora indiretamente). Em alguns casos, a luz desses discos se torna mais brilhante que todas as estrelas da galáxia; essas galáxias incrivelmente brilhantes são chamadas de núcleos galácticos ativos (AGN). Os AGN mais brilhantes são chamados quasares, que os astrônomos podem ver por todo o universo visível; eles indicam a presença de um buraco negro supermassivo, de acordo com o comunicado.
Os buracos negros têm apenas três propriedades mensuráveis - massa, rotação e carga -, portanto, calcular a massa é uma grande parte da compreensão de um buraco negro individual. Nas galáxias próximas, os astrônomos podem observar como grupos de estrelas e gás se movem pelo centro galáctico e usar esses movimentos para deduzir a massa do buraco negro central. Mas galáxias distantes estão tão distantes que os telescópios não conseguem resolver as estrelas e nuvens de material ao redor do buraco negro, de acordo com o comunicado.
Uma técnica conhecida como mapeamento de reverberação tornou possível para os astrônomos medir as massas desses buracos negros periféricos. Primeiro, os pesquisadores comparam o brilho do gás irradiante na região externa da galáxia com o brilho do gás encontrado na região interna da galáxia. (Essa região interna, muito próxima ao buraco negro, é conhecida como região contínua). O gás na região do continuum afeta o gás em movimento mais distante. No entanto, a luz leva tempo para viajar para fora, ou reverberar, causando um atraso entre as mudanças vistas na região interna e seus efeitos na região externa. Medir o atraso revela a que distância o disco externo de gás está do buraco negro. Juntamente com sua taxa de rotação ao redor da galáxia, isso permite que os astrônomos medam a massa da SMBH, disse Grier ao Space.com por e-mail.
Mas o processo é dolorosamente lento. Para observar o efeito de reverberação, uma galáxia individual deve ser estudada repetidamente por vários meses, enquanto quasares distantes podem levar vários anos de observações repetidas, disseram os pesquisadores no comunicado. Nos últimos 20 anos, os astrônomos conseguiram usar a técnica de reverberação para apenas cerca de 60 SMBHs em galáxias próximas e um punhado de quasares distantes.
Como parte do Projeto de Mapeamento de Reverberação do SDSS, Grier e seus colegas começaram a mapear SMBHs mais rapidamente do que era possível anteriormente. A chave para esse mapeamento mais rápido vem do telescópio de visão ampla dedicado ao projeto, localizado no Observatório Apache Point em Sunspot, Novo México, que pode coletar dados sobre vários quasares ao mesmo tempo, de acordo com Grier. Atualmente, está observando um pedaço do céu que contém cerca de 850 quasares.
Os pesquisadores observaram os quasares com o telescópio Canadá-França-Havaí no Havaí e o telescópio Steward Observatory Bok no Arizona para calibrar suas medições dos objetos incrivelmente fracos. No total, os pesquisadores mediram agora os atrasos no tempo de reverberação de 44 quasares e usaram essas medidas para calcular massas de buracos negros que variam de 5 milhões a 1,7 bilhão de vezes a massa do sol da Terra, segundo o comunicado.
"Este é um grande passo à frente na ciência dos quasares", disse Aaron Barth, professor de astronomia da Universidade da Califórnia, Irvine, que não participou das pesquisas da equipe. "Eles mostraram pela primeira vez que essas medições difíceis podem ser feitas no modo de produção em massa".
As novas medições aumentam o número total de medições de massa SMBH galáctica em cerca de dois terços. Como muitas dessas galáxias estão muito distantes, as novas medições revelam massas SMBH desde o passado, até quando o universo tinha apenas metade da sua idade atual.
Ao continuar a observar os 850 quasares com o telescópio SDSS por vários anos, a equipe acumulará anos de dados que permitirão medir as massas de quasares ainda mais fracos, cujos atrasos mais longos não podem ser medidos com um único ano de dados.
"Obter observações de quasares ao longo de vários anos é crucial para obter boas medidas", disse Yue Shen, professor assistente da Universidade de Illinois e principal pesquisador do Projeto de Mapeamento de Reverberação do SDSS. "Enquanto continuamos nosso projeto para monitorar cada vez mais quasares nos próximos anos, seremos capazes de entender melhor como os buracos negros supermassivos crescem e evoluem."
Depois que a quarta fase atual do SDSS terminar em 2020, a quinta fase, SDSS-V, começará. O SDSS-V apresenta um novo programa chamado Black Hole Mapper, no qual os pesquisadores planejam medir as massas SMBH em mais de 1.000 quasares, observando quasares mais fracos e mais antigos do que qualquer projeto de mapeamento de reverberação já conseguiu.
"O Mapeador de Buracos Negros nos permitirá avançar na era do mapeamento de reverberação de buracos negros supermassivos em uma verdadeira escala industrial", disse Niel Brandt, professor de astronomia e astrofísica em Penn State e membro de longa data do SDSS, em comunicado. "Vamos aprender mais sobre esses objetos misteriosos do que nunca."
