As galáxias podem conter centenas de bilhões de estrelas, mas cada uma delas começa com gás frio e denso. Grandes galáxias, incluindo a Via Láctea, estão rodeadas por um vasto reservatório deste material, conhecido como meio circungaláctico, ou CGM.
O CGM estende-se cerca de 10 a 20 vezes mais longe do que a parte visível da galáxia. Com o tempo, parte deste gás pode arrefecer, fluir para dentro, reunir-se em nuvens densas e, eventualmente, formar novas estrelas. Como as estrelas dão origem aos planetas e às condições necessárias para a vida, o CGM desempenha um papel importante na evolução da galáxia a longo prazo.
No entanto, os astrónomos enfrentam um enigma contínuo. Se as galáxias estão rodeadas por tanto material potencial de formação de estrelas, por que não produzem muito mais estrelas? Parece que algo está impedindo que o gás esfrie e caia para dentro.
Jatos de buraco negro podem ser a peça que faltava
Um novo estudo liderado pelo astrônomo Sanchayita Borthakur da Arizona State University (ASU) e Namrata Roy, agora no Raman Research Institute (RRI), fornece evidências para uma possível resposta.
Os investigadores descobriram que jatos estreitos de plasma extremamente quente ejetados por buracos negros supermassivos nos centros das galáxias podem impactar gás para além da galáxia visível. Estes jatos podem perturbar as reservas físicas das quais as galáxias dependem para o crescimento futuro, afetando potencialmente a possibilidade de continuarem a produzir estrelas. As descobertas foram publicadas no Astrophysical Journal Letters.
“Este é um resultado sem precedentes que resolve um mistério de longa data sobre como os buracos negros afetam as galáxias, as suas estrelas e a vida como a conhecemos!” disse Borthakur, professor associado da Escola de Exploração Terrestre e Espacial da ASU. “Este trabalho abre uma nova direção para explorar as complexidades da relação entre buracos negros supermassivos a triliões de quilómetros de onde estamos e como chegámos aqui.”
pequenos itens com alto impacto
Quando um buraco negro consome gás ativamente, ele pode liberar enormes quantidades de energia e calor no material circundante. Apesar do seu poder extraordinário, estes buracos negros são pequenos em comparação com as suas galáxias hospedeiras. Um buraco negro supermassivo poderia ter aproximadamente o tamanho do nosso sistema solar, enquanto a galáxia ao seu redor poderia conter até 100 bilhões de sistemas solares.
“A questão surpreendente é: como pode algo tão pequeno afetar energeticamente algo tão grande?” disse Roy, professor assistente da RRI e ex-bolsista de pós-doutorado do ASU Exploration Award.
A escala desse impacto pode ser difícil de imaginar. Uma comparação seria que uma formiga está de alguma forma deixando um rastro perceptível a centenas ou milhares de quilômetros de distância. Os astrónomos sabem que os buracos negros activos libertam enormes quantidades de energia, mas ainda não está claro como é que essa energia percorre distâncias tão vastas e muda ao longo do caminho.
Novas pesquisas fornecem evidências de como esse processo pode funcionar.
Procurando brilho com os Jets
Os pesquisadores estudaram buracos negros ativos que geram jatos poderosos. Estas correntes estreitas de plasma quente e em movimento rápido podem estender-se muito além dos limites visíveis das suas galáxias.
A equipe descobriu sinais de que os jatos estavam alterando o estado de ionização do gás no CGM circundante. Especificamente, procuraram o brilho fraco produzido pelo hidrogénio ionizado.
Este sinal é demasiado fraco para ser claramente detectado em torno de qualquer galáxia. Para superar essa limitação, os investigadores combinaram observações de centenas de galáxias com jatos ativos. Eles usaram dados da pesquisa Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), juntamente com medições de jatos de rádio do LOFAR Two-Meter Sky Survey (LoTSS).
Ao combinar medições feitas ao longo dos eixos do jato, a equipe descobriu o H-alfa, uma assinatura distinta do gás hidrogênio ionizado.
Roy, Borthkur e colegas descobriram que o sinal permaneceu fraco quando as observações de todas as direções ao redor das galáxias foram calculadas em conjunto. No entanto, com o jato de rádio, o sinal H-alfa tornou-se mais forte e mais fácil de detectar.
Esse padrão indica que o gás não brilha igualmente em todas as direções. Em vez disso, as emissões mais fortes aparecem ao longo do caminho percorrido pelo jato. Em vez de se comportar como uma lâmpada iluminando tudo ao seu redor, o jato atua como um feixe focalizado que faz com que o gás brilhe em seu caminho.
Jatos de buraco negro deixam uma assinatura distinta
Os resultados mostram que os jatos dos buracos negros afetam o gás que rodeia as galáxias de uma forma altamente direcional. Onde os jatos de rádio passam, o gás torna-se mais fortemente ionizado e mais brilhante.
Os pesquisadores também encontraram duas áreas onde o brilho do hidrogênio ionizado era particularmente intenso. Um ocorre relativamente perto da galáxia, onde o jato encontra pela primeira vez o CGM. O segundo é visível muito mais longe, perto da borda externa do CGM, onde o jato parece acumular a maior parte da sua energia.
Juntas, estas observações revelam como os jatos podem alterar ou iluminar o gás a distâncias tremendas do centro da galáxia. Ao alterar o ambiente circundante, os jatos podem afetar a forma como uma galáxia cresce e evolui, incluindo se continua a formar estrelas ou a arrefecer.
“O que mais me entusiasma é a escala das conexões”, disse Roy. “Um buraco negro é incrivelmente pequeno comparado a uma galáxia, mas o seu impacto pode atingir centenas de milhares de anos-luz até aos confins da galáxia. O jacto lança energia para fora e o gás surge no seu caminho.
“Como verificação, a equipe também examinou traços de gás mais frio através da assinatura de absorção de magnésio. Em contraste com o brilho direcional em H-alfa, o magnésio foi mais amplamente distribuído isotropicamente e não mostrou nenhuma relação com a direção do jato. Isso significa que o componente de gás mais frio já pode estar presente como um reservatório uniformemente espaçado ao redor da galáxia. No entanto, o jato ilumina o gás ao longo de seu caminho. “, aquece e ioniza, iluminando uma trilha e produzindo um brilho em H-alfa.”
Como os buracos negros podem mudar o futuro de uma galáxia
Os resultados fornecem algumas das evidências mais claras de que buracos negros supermassivos podem afetar galáxias fora das suas regiões centrais.
Ao aquecer, agitar e perturbar o gás em todo o CGM, os jatos do buraco negro podem dificultar o resfriamento desse material e a queda de volta em direção à galáxia. Sem o fornecimento de gás frio, há menos combustível disponível para formar novas estrelas na galáxia.
Desta forma, os jatos podem atuar como um freio ao crescimento da galáxia. Com o tempo, eles podem ajudar a empurrar uma galáxia para um estado frio com níveis muito baixos de formação estelar.
Portanto, o buraco negro está fazendo muito mais do que simplesmente “alimentar” matéria perto do centro galáctico. Os seus efeitos podem estender-se à atmosfera circundante da galáxia e alterar potencialmente o destino da galáxia a longo prazo.
direção foi a chave para a descoberta
Estudos anteriores procuraram sinais semelhantes sem encontrá-los. Novas descobertas sugerem uma razão para isso.
A assinatura H-alfa é visível apenas quando os astrônomos examinam o gás especificamente na direção do jato. Se os pesquisadores tivessem assumido que o CGM se comportava da mesma forma em todas as direções, esse efeito poderia ter sido facilmente ocultado.
Em vez disso, os resultados mostram que os jatos ionizam o hidrogénio ao longo do seu percurso, produzindo um brilho altamente direcional em H-alfa.
A descoberta também demonstra o poder de combinar grandes pesquisas ópticas e de rádio, como a pesquisa Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) e a LOFAR Two-Meter Sky Survey (LoTss). Ao combinar muitos sinais fracos diferentes, os astrónomos podem revelar padrões que de outra forma seriam impossíveis de ver.
As descobertas fornecem agora aos astrónomos e teóricos outra forma de testar como os jatos dos buracos negros interagem com as galáxias e afetam a sua evolução.
Os coautores colaboradores incluem Timothy Heckman, da Universidade Johns Hopkins, e Tanmay Singh, da Universidade Estadual do Arizona.
Este trabalho é apoiado pela NASA, STScI e NSF.
