Buracos negros, anteriormente elusivos e invisíveis, foram detectados através da observação de eventos de perturbação de marés (TDEs), onde estrelas são violentamente destruídas, gerando explosões luminosas que podem ser observadas a grandes distâncias.

O dramático escurecimento da fonte de luz confirma a sua localização a cerca de 860 milhões de anos-luz da Terra. precisão A partir de um modelo detalhado desenvolvido por uma equipe de astrofísicos da Universidade de Syracuse, Instituto de Tecnologia de Massachusettse Instituto de Ciências do Telescópio Espacial.

Compreendendo os buracos negros por meio de TDEs

Telescópios poderosos, por exemplo NASAOs observatórios de raios X Hubble, James Webb e Chandra fornecem aos cientistas uma janela para o espaço profundo para explorar a física dos buracos negros. Embora alguém possa se perguntar como você pode “ver” um buraco negro, Buraco negroEstrelas que absorvem toda a luz são possíveis graças a eventos de perturbação de marés (TDEs) – onde uma estrela é destruída por um buraco negro supermassivo e pode alimentar uma “explosão de acreção luminosa”. Com a sua luminosidade milhares de milhares de milhões de vezes mais brilhante que a do Sol, os eventos de acreção permitem aos astrofísicos estudar buracos negros supermassivos (SMBHs) a distâncias cósmicas.

Os TDEs ocorrem quando uma estrela é violentamente dilacerada pelo enorme campo gravitacional de um buraco negro. À medida que a estrela se rompe, os seus restos transformam-se numa corrente de detritos que cai de volta no buraco negro para formar um disco de material extremamente quente e brilhante que orbita o buraco negro, chamado disco de acreção. Os cientistas podem estudar este fenómeno para fazer observações diretas de TDEs e compará-los com modelos teóricos para ligar as observações às propriedades físicas de estrelas dilaceradas e buracos negros dilacerados.

Inovações na pesquisa de buracos negros

Uma equipe de físicos da Syracuse University, MIT, e do Space Telescope Science Institute usaram modelagem detalhada para prever o brilho e o escurecimento de AT2018fyk, um TDE parcial recorrente, o que significa que o núcleo de alta densidade da estrela escapou da interação gravitacional com o SMBH, permitindo-lhe orbita o buraco negro. E rasgando mais de uma vez.

O modelo previu que AT2018fyk “escureceria” em agosto de 2023, uma previsão que foi confirmada quando a fonte desapareceu no verão passado, fornecendo evidências de que o seu modelo oferece uma nova forma de explorar a física dos buracos negros. Seus resultados foram publicados na revista Nature. o Cartas de diários astrofísicos.

Fonte de alta energia

Graças a pesquisas galácticas incrivelmente detalhadas, os cientistas estão observando mais fontes de luz indo e vindo do que nunca. As pesquisas examinam hemisférios inteiros em busca de aumentos ou escurecimentos repentinos nas fontes, o que indica aos pesquisadores que algo mudou. Ao contrário do telescópio da sua sala de estar, que só pode focar a luz visível, telescópios como o Chandra podem detectar fontes de luz no que é conhecido como espectro de raios X emitido por matéria que está a milhões de graus de temperatura.

A luz visível e os raios X são formas de radiação eletromagnética, mas os raios X têm comprimentos de onda mais curtos e maior energia. Semelhante à forma como o seu fogão fica “em brasa” depois de ligá-lo, o gás que compõe o disco “brilha” em diferentes temperaturas, com o material mais quente localizado mais próximo do buraco negro. No entanto, em vez de irradiar a sua energia em comprimentos de onda ópticos visíveis a olho nu, o gás mais quente no disco de acreção emite no espectro de raios-X. Estes são os mesmos raios X que os médicos usam para obter imagens dos ossos que podem passar através dos tecidos moles e, devido a esta relativa transparência, os detectores usados ​​pelos telescópios de raios X da NASA são especificamente concebidos para detectar esta radiação de alta energia.

Desempenho repetido

Em janeiro de 2023, uma equipe de físicos, incluindo Eric Coughlin, professor do Departamento de Física da Universidade de Syracuse, e Dheeraj R. “D.J.” Basham, cientista pesquisador do MIT, e Thomas Wevers, pesquisador do Space Telescope Science Institute, escreveram um artigo em Cartas de diários astrofísicos Esta equipe propôs um modelo detalhado para recorrência parcial de TDE. Os seus resultados foram os primeiros a mapear a órbita de reentrada de uma estrela em torno de um buraco negro supermassivo – revelando novas informações sobre um dos ambientes mais extremos do Universo.

A equipa baseou o seu estudo num fenómeno TDE conhecido como AT2018fyk (AT significa “fenômenos astrofísicos transitórios”), onde foi sugerido que uma estrela foi capturada por um buraco negro supermassivo através de um processo de troca conhecido como “captura de crista”. Originalmente, uma das duas estrelas fazia parte de um sistema binário (duas estrelas orbitando uma à outra sob sua gravidade mútua), e presumia-se que uma estrela foi capturada pelo campo gravitacional do buraco negro enquanto a outra estrela (não capturada) foi ejetada de o centro galáctico a velocidades semelhantes a ~ 1000 km/s.

Uma vez ligada ao buraco negro supermassivo, a estrela que alimenta a emissão do AT2018fyk é repetidamente despojada da sua camada exterior cada vez que passa pela sua maior aproximação ao buraco negro. As camadas externas despojadas da estrela formam o disco de acreção brilhante, que os pesquisadores podem estudar usando telescópios de raios X e ultravioleta/ópticos que monitoram a luz de galáxias distantes.

Embora os TDEs sejam tipicamente únicos porque o intenso campo gravitacional do buraco negro supermassivo destrói a estrela, o que significa que o buraco negro supermassivo volta a desaparecer na escuridão após a explosão de acreção, AT2018fyk apresentou uma oportunidade única para explorar um TDE parcial repetido.

A equipa de investigação utilizou três telescópios para fazer as descobertas iniciais e subsequentes: SWIFT e Chandra, ambos operados pela NASA, e XMM-Newton, uma missão europeia. Detectado pela primeira vez em 2018, o AT2018fyk está a cerca de 860 milhões de anos-luz de distância, o que significa que, devido ao tempo que a luz leva para viajar, isso aconteceu em “tempo real” há cerca de 860 milhões de anos.

A equipe usou modelos detalhados para prever que a fonte de luz desapareceria repentinamente por volta de agosto de 2023, e depois voltaria a brilhar quando a matéria recentemente removida se acumulasse no buraco negro em 2025.

Explorando o futuro: expectativas e implicações

Confirmando a precisão do seu modelo, a equipe relatou uma diminuição no fluxo de raios X durante um período de dois meses, começando em 14 de agosto de 2023. Esta mudança repentina pode ser interpretada como um segundo desligamento da emissão.

“Fechar a emissão observada mostra que o nosso modelo e suposições são viáveis ​​e indica que estamos de facto a ver uma estrela a ser lentamente devorada por um buraco negro distante e extremamente massivo,” diz Coughlin. “Em nosso artigo do ano passado, usamos restrições de explosão inicial, desvanecimento e novo brilho para prever que AT2018fyk deveria mostrar um desvanecimento repentino e rápido em agosto de 2023. se A estrela sobreviveu ao segundo encontro que levou à segunda explosão.

O facto de o sistema ter mostrado este fecho esperado aponta para várias distinções entre uma estrela e um buraco negro:

• A estrela sobreviveu ao seu segundo encontro com o buraco negro;
• A taxa de detritos removidos que retornam ao buraco negro está intimamente relacionada ao brilho do AT2018fyk;
• O período orbital da estrela em torno do buraco negro é de cerca de 1.300 dias, ou cerca de 3,5 anos.

O segundo corte indica que outro novo brilho deverá ocorrer entre maio e agosto de 2025, e se a estrela sobreviver ao segundo encontro, espera-se que um terceiro corte ocorra entre janeiro e julho de 2027.

Quanto a saber se podemos contar com um novo brilho em 2025, Coughlin diz que a descoberta do segundo corte significa que a estrela perdeu mais massa recentemente, que deve retornar ao buraco negro para produzir um terceiro brilho.

“A única incerteza é o pico da emissão”, diz ele. “O segundo pico de rebrilhamento foi muito mais fraco que o primeiro, e é lamentável que a terceira explosão possa ter sido mais fraca. desta terceira explosão.”

Coughlin salienta que este modelo representa uma nova e excitante forma de estudar a frequência de TDEs parciais extremamente raros, que se pensa ocorrerem uma vez a cada milhão de anos numa determinada galáxia. Até agora, diz ele, os cientistas encontraram apenas quatro ou cinco sistemas que apresentam este comportamento.

“Com o advento de uma tecnologia de detecção aprimorada que detecta TDEs parciais mais frequentes, esperamos que este modelo seja uma ferramenta essencial para os cientistas na identificação dessas descobertas”, diz ele.

Referência: “Um possível segundo desligamento do AT2018fyk: um calendário orbital atualizado da estrela sobrevivente sob o modelo de evento de interrupção parcial recorrente das marés” por Dheeraj Basham, ER Coughlin e M. Gullo e T. Weavers, CJ Nixon e Jason T. Hinkle e A. Bandopadhyay, 14 de agosto de 2024, Cartas de diários astrofísicos.
DOI: 10.3847/2041-8213/ad57b3