Cientistas detectam vento cósmico do buraco negro central da Via Láctea

Cientistas afirmam ter detectado evidências de vento em escala cósmica proveniente de um buraco negro supermassivo no centro de nossa galáxia, potencialmente resolvendo um dos mistérios mais antigos da astronomia.

O Sagittarius A*, um buraco negro gigantesco com massa equivalente a cerca de 4 milhões de sóis, intriga a comunidade científica há mais de 50 anos. As leis da física determinam que, como todos os buracos negros, o objeto não deveria apenas consumir matéria, mas também expelir parte dela na forma de vento ou jatos. No entanto, o Sagittarius A* tem sido estranhamente silencioso. Apesar de décadas de pesquisa, os cientistas só conseguiram reunir indícios de erupções de vento datadas de mais de 20.000 anos atrás, sem nenhuma mais recente.

"Este é o buraco negro mais próximo de nós e o mais estudado", disse Mark Gorski, professor assistente de pesquisa na Northwestern University em Evanston, Illinois. "É o que podemos resolver e ver toda a física ao seu redor, e ainda assim parecia não ter vento. Todo buraco negro no universo se comporta dessa maneira, mas o que está mais próximo de nós é diferente. Isso era um problema enorme."

Agora, após cinco anos de observações, Gorski e Lena Murchikova, professora assistente de física e astronomia na Northwestern, acreditam ter encontrado sinais do vento que estava faltando. A dupla criou uma imagem altamente detalhada da área ao redor do buraco negro. Dentro da imagem, Gorski e Murchikova identificaram uma grande cavidade em forma de cone desprovida de gás frio.

A característica só poderia ter sido esculpida por um vento de gás quente proveniente diretamente do próprio objeto, segundo os pesquisadores, que são coautores principais de um estudo sobre a descoberta publicado em 4 de junho na revista The Astrophysical Journal Letters.

"O vento do buraco negro age como um secador de cabelo", disse Gorski. "Ele sopra ar quente e turbulento em um material mais frio e denso, como o seu cabelo molhado."

O vento é quente e forte o suficiente para aquecer e soprar a água do seu cabelo molhado e movê-lo um pouco — mas não forte o suficiente para arrancar completamente o cabelo da sua cabeça." Da mesma forma, o estudo sugeriu que o gás quente no vento proveniente do buraco negro deixou uma assinatura clara ao varrer o gás frio ao redor.

Cientistas já observaram anteriormente fluxos de saída semelhantes, tanto na forma de jatos estreitos quanto de ventos amplos, provenientes dos buracos negros supermassivos nos centros de outras galáxias. Esses fluxos de saída são uma parte crítica de como um buraco negro bombeia energia para sua galáxia hospedeira e regula seu crescimento, de acordo com Christopher Reynolds, professor de astronomia da University of Maryland, College Park, que não participou do estudo.

"Esses fluxos de saída se mostraram realmente difíceis de detectar ao observarmos nosso próprio buraco negro supermassivo — até agora", escreveu ele em um e-mail. "Este estudo apresenta um caso bastante convincente de que um vento proveniente do buraco negro supermassivo da nossa galáxia se expandiu para fora através da poeira e do gás ao redor. Eles não viram o vento em si, mas sua presença é bastante clara. Isso exigiu uma análise muito cuidadosa de quase 5 anos de dados do radiotelescópio mais sensível do mundo — um verdadeiro tour de force."

Um vento mais fraco

Buracos negros são objetos astronômicos com uma gravidade tão intensa que nem mesmo a luz consegue escapar deles. A maioria das grandes galáxias possui um buraco negro supermassivo central — com até bilhões de vezes a massa do nosso sol. Buracos negros menores são os remanescentes de grandes estrelas mortas, mas a origem dos supermassivos é pouco compreendida.

Nada pode escapar do limiar do buraco negro, chamado de horizonte de eventos. No entanto, a matéria que gira ao redor do buraco negro pode se aquecer e brilhar devido ao atrito e às forças de maré, emitindo ondas de rádio e raios X. Quando o buraco negro se alimenta de gás, o objeto libera partículas na forma de vento ou jatos que se movem a quase a velocidade da luz, percorrendo até milhares de anos-luz pelo espaço.

Um ano-luz é a distância que a luz percorre em um ano, equivalente a 5,88 trilhões de milhas (9,46 trilhões de quilômetros).

Usando os radiotelescópios Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array, ou ALMA, no Chile, Gorski e Murchikova criaram o mapa mais detalhado já feito do gás frio ao redor de Sagittarius A* e, em seguida, removeram toda a interferência de rádio proveniente do objeto. O que restou revelou uma cavidade de cerca de 3 anos-luz de comprimento e com um ângulo de abertura de 45 graus, levando de volta ao próprio buraco negro.

Os pesquisadores então usaram o Chandra X-ray Observatory da NASA para confirmar que o gás frio na região estava sendo moldado por plasma quente, ou gás eletricamente carregado, proveniente do centro galáctico: "Se o gás frio estivesse na frente ou atrás do plasma quente, não haveria uma correlação forte", disse Gorski. "Embora não tenhamos detectado diretamente as partículas se movendo no vento, conseguimos deduzir a direção e a energia do vento."

Há duas razões principais pelas quais a descoberta da presença do vento levou mais de meio século para ser feita, desde que Sagittarius A* foi observado pela primeira vez na década de 1970, de acordo com Gorski. A primeira é que os instrumentos só agora se tornaram avançados o suficiente para ver através do gás e da poeira que se encontram entre a Terra e o centro de nossa galáxia. A outra é que Sagittarius A* está em um período de quietude, tornando o vento mais fraco e, portanto, muito mais difícil de detectar. É comum que buracos negros supermassivos alternem entre períodos ativos e quietos, dependendo do suprimento de material ao seu redor.

"Nosso resultado essencialmente diz que este buraco negro também tem vento, então não é estranho, e a física dos buracos negros em geral funciona como esperávamos", disse Murchikova. "Mas o vento foi difícil de encontrar porque era muito fraco. Nunca antes tínhamos visto um vento fraco proveniente de um buraco negro."

Observações de buracos negros supermassivos em outras galáxias revelaram jatos extremamente poderosos, mas esses eventos são raros, acrescentou Murchikova.

Na maior parte do tempo, os buracos negros estão em estado de repouso e apenas sopram uma brisa suave, o que é mais difícil de detectar porque "não há fogos de artifício saindo".

Os pesquisadores planejam agora expandir o mapa de gás frio para uma região maior, a fim de diagnosticar o impacto total do vento. A equipe também quer fazer um "filme" do gás se aproximando do buraco negro para observar como as nuvens se movem e poder estimar quanto do gás o buraco negro consome.

Uma descoberta emocionante

Muito ainda resta para os pesquisadores descobrirem sobre como os buracos negros supermassivos lançam ventos, embora os cientistas acreditem que isso provavelmente se deve à forma como os campos magnéticos são girados ao redor do buraco negro enquanto o gás orbita ao seu redor, de acordo com Dan Wilkins, professor assistente de pesquisa no departamento de astronomia da Ohio State University. Wilkins não participou do estudo.

"Ver evidências de ventos impulsionados por buracos negros em nossa própria galáxia não apenas nos oferece um novo caminho para entender como esses ventos são gerados, mas também mostra que buracos negros supermassivos ainda são capazes de lançar um vento em suas galáxias hospedeiras mesmo quando não estão passando por fases ativas de crescimento rápido", escreveu ele em um e-mail.

Jatos e ventos provenientes de buracos negros são física de livro didático, e os cientistas já observaram muitos buracos negros supermassivos lançando-os no espaço. É "emocionante" ter finalmente flagrado o buraco negro central de nossa própria galáxia em ação, disse Priyamvada Natarajan, a Joseph S. and Sophia S. Fruton Professor of Astronomy and Physics da Yale University, em um e-mail. Natarajan também não participou do estudo.

"Sagittarius A* tem sido há muito tempo a grande frustração da astrofísica do centro galáctico: próximo o suficiente para ser estudado em detalhes requintados, mas obstinadamente silencioso, aparentemente sem vento", disse ela. "Este artigo desmonta essa visão. É isso que parece a astronomia observacional paciente e profunda quando ela compensa."

Ainda há muitas questões em aberto, acrescentou Natarajan, mas isso é o esperado para um artigo de descoberta. "Os autores entregaram à comunidade um novo observável, e os desdobramentos serão ricos", disse ela.