Astrnomos brasileiros medem pela primeira vez disco em torno de buraco negro

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Redação do Site Inovação Tecnológica – 28/08/2023

Disco de acrscimo

Astrnomos brasileiros fizeram a primeira deteco inequvoca de um disco de acrscimo – ou disco de acreo – ao redor de um buraco negro supermassivo. As observaes expandem a compreenso sobre os buracos negros e as galxias em que eles se encontram.

O feito coube a Denimara dos Santos e Alberto Ardila, do INPE (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais), e Swayamtrupta Panda e Murilo Marinello, do Laboratrio Nacional de Astrofsica (LNA).

Ao olhar para a imagem de uma galxia, h uma falsa impresso de serenidade. Mas, na verdade, o centro da maioria das galxias um ambiente turbulento, com um buraco negro supermassivo ativamente engolindo matria. E, ao redor desses objetos incompreensivelmente densos, h um disco de acrscimo em rotao, no apenas alimentando o buraco negro, mas tambm emitindo grandes quantidades de energia ao longo de todo o espectro eletromagntico.

No entanto, impossvel obter imagens diretas dos discos de acrscimo devido s distncias extremas e seus tamanhos relativamente pequenos. Para obter essas imagens, os astrnomos usam os espectros de luz emitidos de dentro do disco para caracterizar seu tamanho e comportamento.

Usando essa abordagem, a equipe brasileira fez a primeira deteco de duas linhas de emisso no infravermelho prximo no disco de acrscimo da galxia III Zw 002, colocando um novo limite para o tamanho dessas estruturas.

Linhas de emisso

As linhas de emisso ocorrem quando um tomo em estado excitado cai para um nvel de energia mais baixo, liberando um fton nesse processo. Como cada tomo possui um conjunto nico de nveis de energia, a luz que cada um emite possui um comprimento de onda discreto que funciona como uma impresso digital, identificando o elemento.

As linhas de emisso geralmente aparecem nos espectros como riscos verticais finos e ntidos. Mas, no vrtice rodopiante de um disco de acrscimo, onde o gs excitado est sob a influncia gravitacional do buraco negro supermassivo e se movimenta a velocidades de milhares de quilmetros por segundo, as linhas de emisso se alargam consideravelmente. A regio do disco de acrscimo onde essas linhas se originam chamada de regio de linhas largas (ou BLR, do ingls Broad Line Region).

A evidncia da existncia de um disco de acrscimo pode ser encontrada em um padro especfico de linhas largas, em uma emisso chamada perfil de duplo pico. Como o disco est girando, o gs de um lado se afasta do observador, enquanto o gs do outro lado se move em direo ao observador. Esses movimentos relativos esticam e comprimem as linhas de emisso em comprimentos de onda mais longos e mais curtos, respectivamente. O resultado uma linha ampliada com dois picos distintos, um originando-se de cada lado do disco.

Esses perfis de duplo pico so um fenmeno raro, uma vez que sua ocorrncia limitada a fontes que podem ser observadas quase de frente. Nas poucas fontes em que foi observado, o duplo pico foi encontrado nas linhas H-alfa e H-beta – duas linhas de emisso de tomos de hidrognio que aparecem na faixa de comprimento de onda visvel. Originrias da regio interna da regio da BLR, perto do buraco negro supermassivo, essas linhas no fornecem nenhuma evidncia sobre o tamanho do disco de acrscimo na sua totalidade. Mas observaes recentes no infravermelho prximo revelaram a poro externa da BLR, que nunca tinha sido vista antes.

A equipe brasileira fez ento a primeira deteco inequvoca de dois perfis de duplo pico no infravermelho prximo na BLR de III Zw 002. A linha Paschen-alfa (hidrognio) se origina na regio BLR interna, e a linha de O I (oxignio neutro) tem origem na periferia da BLR, regio nunca observada antes. Estes so os primeiros perfis de duplo pico encontrados no infravermelho prximo e detectados durante as observaes com o espectrgrafo GNIRS (Gemini Near-Infrared Spectrograph), instalado no telescpio Gemini Norte, perto do cume de Maunakea, no Hava.

Geometria do ncleo galctico

Como o GNIRS capaz de fazer observaes simultneas em mltiplas bandas de luz, a equipe conseguiu capturar um nico espectro limpo e calibrado de forma consistente, no qual foram revelados vrios perfis de duplo pico. Essas observaes no s confirmam a previso terica de um disco de acrscimo, mas tambm avanam a compreenso dos astrnomos sobre a BLR.

“Pela primeira vez, a deteco de tais perfis de duplo pico impe restries firmes geometria de uma regio que de outra forma no seria possvel resolver,” disse Alberto Ardila, membro da equipe. “E agora temos evidncias claras do processo de alimentao e da estrutura interna de uma galxia ativa.”

Ao comparar essas observaes com modelos tericos existentes de discos de acrscimo, a equipe conseguiu extrair parmetros que fornecem uma imagem mais clara do buraco negro supermassivo e da BLR da galxia observada.

O modelo indica que a linha Paschen-alfa se origina em um raio de 16,77 dias-luz (a distncia que a luz percorre em um dia terrestre medida a partir do buraco negro supermassivo), e a linha de O I se origina em um raio de 18,86 dias-luz. Tambm prev que o raio externo da BLR de 52,43 dias-luz. O modelo tambm indica que a BLR da III Zw 002 tem um ngulo de inclinao de 18 graus em relao aos observadores na Terra, e o buraco negro supermassivo no seu centro tem entre 400 e 900 milhes de vezes a massa do nosso Sol.

Os resultados abrem a possibilidade de usar a deteco no infravermelho prximo para estudar outras galxias semelhantes.

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