Novas observações do Telescópio Espacial James Webb, ou JWST, estão dando aos astrônomos a visão mais clara de como os buracos negros supermassivos obtêm o gás de que precisam para crescer.
As imagens revelam longos fios de gás que ligam a atmosfera exterior quente de uma galáxia a um disco em rápida rotação em torno do seu buraco negro central. Este disco atua como um reservatório final de material antes que o gás caia para dentro e alimente o buraco negro.
Uma equipe de pesquisa internacional liderada pela Université de Montreal, com contribuições da Michigan State University, realizou as observações e analisou os resultados. Suas descobertas, publicadas na edição de 14 de julho Cartas de diários astrofísicosAjude a responder a uma pergunta que desafia os astrônomos há décadas.
“As observações do JWST estão nos oferecendo milhares de novos fatos e medições, e posso informar que isso é muito para absorver”, disse Megan Donahue, Distinta Professora de Física e Astronomia da Universidade MSU. “Estamos todos a trabalhar juntos para resolver questões astrofísicas sobre como estes buracos negros obtêm o seu combustível e como interagem com as suas galáxias hospedeiras.”
Como os buracos negros supermassivos afetam as galáxias
No centro de quase todas as grandes galáxias existe um buraco negro supermassivo, ou SMBH. Esses objetos podem ter milhões ou bilhões de vezes mais massivos que o Sol.
Um buraco negro em si não emite luz. No entanto, quando grandes quantidades de gás e poeira caem em sua direção, o material aquece e cria uma região muito brilhante e poderosa. Os astrônomos chamam isso de núcleo galáctico ativo, ou AGN.
Um buraco negro ativo pode se comportar como um poderoso motor cósmico. Isto pode lançar jatos enormes que transportam energia para longe do centro da galáxia. Estes jatos podem aquecer o gás circundante, retardar a formação de novas estrelas e afetar a evolução das galáxias ao longo de milhares de milhões de anos.
Isso cria um quebra-cabeça duradouro. Se os jatos aquecerem o gás próximo, deverão dificultar o resfriamento e a queda do gás em direção ao buraco negro. Em teoria, o buraco negro acabaria por esgotar o seu próprio abastecimento alimentar.
No entanto, muitos buracos negros supermassivos continuam a alimentar-se.
Um possível ciclo de combustível do buraco negro
A principal explicação é que o sistema se auto-regula.
O gás aquecido pela atividade do buraco negro pode eventualmente esfriar novamente. À medida que perde energia, pode condensar-se em estruturas longas e estreitas conhecidas como filamentos. Estas correntes de gás frio podem então fluir de volta para o centro da galáxia e reabastecer o suprimento de combustível do buraco negro.
Para investigar este processo, os investigadores usaram o JWST para estudar NGC 4696, a maior galáxia central do aglomerado Centaurus. O aglomerado é uma densa coleção de galáxias a cerca de 145 milhões de anos-luz da Terra e é considerado um dos melhores lugares para examinar como os núcleos galácticos ativos interagem com o seu entorno.
A equipe observou NGC 4696 por cerca de oito horas usando o instrumento NIRSpec do JWST. O NIRSpec separa a luz infravermelha em seus comprimentos de onda componentes, permitindo aos cientistas determinar como o gás se move, de que é feito e como suas propriedades variam em uma região.
Os mapas resultantes traçaram o movimento do gás nas profundezas da esfera de influência do buraco negro. Esta é a região onde a gravidade do buraco negro domina o movimento dos objetos próximos.
O JWST resolveu estruturas com aproximadamente 30 anos-luz de diâmetro. Embora essa distância seja enorme para os padrões humanos, é um nível de detalhe incrivelmente preciso dentro de uma galáxia que se estende por dezenas de milhares de anos-luz.
Despeje o gás em um disco giratório
As observações mostraram que uma estrutura em forma de S perto do centro da galáxia é na verdade um disco giratório de gás que rodeia o buraco negro supermassivo.
O disco estende-se por cerca de 800 anos-luz de diâmetro e parte do material no seu interior move-se a velocidades de até 600 quilómetros por segundo.
Mais importante ainda, o disco parece estar fisicamente conectado a um dos grandes filamentos de gás que fluem para dentro da galáxia. Os dados do JWST mostram que o gás viaja ao longo do filamento e entra no disco giratório que fornece material ao buraco negro.
Esta ligação ainda fornece algumas das mais fortes evidências observacionais de que filamentos de gás frio podem atuar como canais de alimentação para buracos negros supermassivos.
Concluindo o ciclo de feedback do buraco negro
Os resultados ajudam a preencher as etapas que faltam em um ciclo maior.
Primeiro, os jatos lançados por buracos negros ativos injetam energia no gás galáctico circundante. Com o tempo, essas partículas de gás esfriam, tornam-se instáveis e colapsam em filamentos finos. Algumas destas estruturas têm apenas algumas centenas de anos-luz de largura, mas estendem-se por milhares de anos-luz.
À medida que o gás cai para dentro, as forças magnéticas podem ajudar a retardar a sua rotação e puxá-lo em direção ao centro. O material então se acumula em um disco giratório ao redor do buraco negro.
O disco alimenta o buraco negro, o buraco negro alimenta novos jatos e esses jatos, por sua vez, aquecem o gás circundante.
Desta forma, o buraco negro pode ajudar a criar as condições que, em última análise, fornecerão o seu próximo combustível.
A simulação suporta observações JWST
Os pesquisadores também usaram simulações computacionais avançadas para testar se essa explicação poderia reproduzir o comportamento visto pelo JWST.
O gás simulado moveu-se e condensou-se de uma maneira que se assemelhava muito ao sistema observado. Este acordo fornece apoio independente à ideia de que o gás refrigerante, os campos magnéticos e os jatos dos buracos negros trabalham juntos num ciclo autorregulado.
“Participar neste projeto é realmente emocionante”, disse Mark Voight, professor de física e astronomia da MSU. “Cálculos do nosso grupo do estado de Michigan prevêem que os campos magnéticos ajudam a alimentar os maiores buracos negros do Universo, fluindo gás frio em direção a eles, e é incrível ver isso acontecendo nessas imagens do JWST.”
