O XRISM revelou a estrutura, o movimento e a temperatura do material em torno de um buraco negro supermassivo e num remanescente de supernova com um pormenor sem precedentes. Os astrónomos apresentaram os primeiros resultados científicos do novo telescópio de raios X menos de um ano após o seu lançamento.

O que é que um buraco negro gigantesco e os restos de uma estrela massiva que explodiu têm em comum? São ambos fenómenos celestes dramáticos em que um gás extremamente quente produz raios X altamente energéticos que o XRISM (X-Ray Imaging and Spectroscopy Mission) consegue ver.

Nos seus primeiros resultados publicados, a missão liderada pela JAXA (Japan Aerospace Exploration Agency), com a participação da ESA, mostra as suas capacidades únicas para revelar a velocidade e a temperatura do gás quente, chamado plasma, e as estruturas tridimensionais do material que rodeia um buraco negro e uma explosão estelar.

"Estas novas observações fornecem informações cruciais para compreender como é que os buracos negros crescem capturando a matéria circundante e oferecem uma nova perspetiva sobre a vida e morte das estrelas massivas. Mostram a excecional capacidade da missão para explorar o Universo de alta energia", diz o cientista do projeto XRISM da ESA, Matteo Guainazzi.

Remanescente de supernova N132D

Numa das suas observações de "primeira luz", o XRISM focou-se em N132D, um remanescente de supernova localizado na Grande Nuvem de Magalhães a cerca de 160.000 anos-luz da Terra. Esta "bolha" interestelar de gás quente foi expelida pela explosão de uma estrela muito massiva há cerca de 3000 anos.

Usando o seu instrumento Resolve, o XRISM desvendou a estrutura em torno de N132D com grande pormenor. Contrariamente às suposições anteriores de uma simples concha esférica, os cientistas descobriram que o remanescente N132D tem a forma de um donut. Usando o efeito Doppler, mediram a velocidade a que o plasma quente no remanescente se move em direção a nós ou para longe de nós, e estabeleceram que este se está a expandir a uma velocidade aparente de cerca de 1200 km/s.

Esta imagem mostra a observação do telescópio de raios X XRISM da JAXA do remanescente de supernova N132D. No topo da imagem, o remanescente de supernova é visto em raios-X. O círculo amarelo representa a área onde o instrumento Resolve do XRISM mediu ferro extremamente quente (10 mil milhões Kelvin). A linha rosa mostra a borda do remanescente, onde a onda de explosão interage com o meio interestelar, e o gás quente (plasma) é mais frio (cerca de 10 milhões Kelvin). O espetro mostra muitos elementos químicos que estão presentes no remanescente N132D. O XRISM pode identificar cada elemento medindo a energia do fotão de raios X específico dos diferentes átomos. A designação "keV" no eixo x do gráfico refere-se a quilo eletrões-volt, uma unidade de energia. A "resolução energética" do XRISM, ou seja, a sua capacidade de distinguir raios X com diferentes comprimentos de onda, é inédita. Com uma resolução 30 vezes superior à dos seus antecessores, as avançadas capacidades espetroscópicas do XRISM permitem aos cientistas medir o movimento e a temperatura do plasma quente com uma precisão sem precedentes. Crédito: JAXA

O Resolve também revelou que o remanescente contém ferro que tem uma temperatura extraordinária de 10 mil milhões Kelvin. Os átomos de ferro foram aquecidos durante a explosão de supernova através de violentas ondas de choque que se propagam para o interior, um fenómeno que tinha sido previsto pela teoria, mas nunca antes observado.

Os remanescentes de supernova como N132D contêm pistas importantes sobre a forma como as estrelas evoluem e como elementos (pesados) essenciais à nossa vida, como o ferro, são gerados e espalhados para o espaço interestelar. No entanto, os anteriores observatórios de raios X tiveram sempre dificuldade em revelar a forma como a velocidade e a temperatura do plasma eram distribuídas.

Buraco negro supermassivo na galáxia NGC 4151

O XRISM também lançou nova luz sobre a misteriosa estrutura que rodeia um buraco negro supermassivo. Apontando para a galáxia espiral NGC 4151, localizada a 62 milhões de anos-luz, as observações do XRISM oferecem uma visão sem precedentes do material muito próximo do buraco negro central da galáxia, que tem uma massa 30 milhões de vezes superior à do Sol.

O XRISM captou a distribuição da matéria que circula e que eventualmente cai no buraco negro ao longo de um raio alargado, que vai de 0,001 a 0,1 anos-luz, ou seja, desde uma distância comparável à separação Sol-Úrano até 100 vezes essa distância.

O telescópio de raios X XRISM da JAXA captou a distribuição da matéria que cai no buraco negro supermassivo da galáxia NGC 4151 num raio alargado, que vai de 0,001 a 0,1 anos-luz. Ao determinar a velocidade dos átomos de ferro a partir da sua assinatura de raios X, os cientistas mapearam uma sequência de estruturas em torno do "monstro" central: o disco mais próximo do buraco negro (a azul), onde o gás se move a uma velocidade de apenas um valor percentual da velocidade da luz, seguido de uma região de transição onde o gás se move a uma velocidade de milhares de km/s e a que os astrónomos chamam " região de linha larga" (a laranja) e, finalmente, o toro em forma de donut (a vermelho). Crédito: JAXA

Ao determinar os movimentos dos átomos de ferro a partir da sua assinatura de raios X, os cientistas mapearam uma sequência de estruturas em torno do buraco negro gigante: desde o disco que "alimenta" o buraco negro até ao toro em forma de donut.

Estas descobertas fornecem uma peça vital do puzzle para compreender como os buracos negros crescem devorando a matéria circundante.

Embora as observações de rádio e no infravermelho tenham revelado a presença de um toro em forma de donut à volta de buracos negros noutras galáxias, a técnica espetroscópica do XRISM é a primeira, e atualmente a única, forma de descobrir como o gás perto do "monstro" central é formado e se move.

Olhando para o futuro: observações e descobertas futuras

Nos últimos meses, a equipa científica do XRISM trabalhou diligentemente para estabelecer o desempenho dos instrumentos e aperfeiçoar os métodos de análise de dados através da observação de 60 alvos-chave. Paralelamente, foram selecionados 104 novos conjuntos de observações entre as mais de 300 propostas apresentadas por cientistas de todo o mundo.

O XRISM realizará observações com base nas propostas selecionadas ao longo do próximo ano; graças ao seu excecional desempenho em órbita, que ultrapassou mesmo as expetativas iniciais, este promete muitas mais descobertas excitantes.

O XRISM (X-Ray Imaging and Spectroscopy Mission) foi lançado no dia 7 de setembro de 2023. Trata-se de uma colaboração entre a JAXA e a NASA, com uma participação significativa da ESA. Em troca do fornecimento de hardware e aconselhamento científico, a ESA recebe 8% do tempo de observação disponível do XRISM.

As observações feitas com o XRISM complementarão as do telescópio de raios X XMM-Newton da ESA e constituirão uma excelente base para as observações planeadas com a futura missão de grande porte NewAthena da ESA. Esta última está a ser concebida para exceder significativamente o desempenho científico dos atuais observatórios de raios X espetroscópicos e de levantamento.

// ESA (comunicado de imprensa)
// JAXA (comunicado de imprensa)
// Universidade de Tohoku (comunicado de imprensa)
// Artigo científico acerca do remanescente de supernova N132D (arXiv.org)
// Artigo científico acerca do buraco negro no centro de NGC 4151 (arXiv.org)

Quer saber mais?

Remanescente de supernova:
NASA
Wikipedia
CCVAlg - Astronomia

Grande Nuvem de Magalhães:
Wikipedia
SEDS.org

Buraco negro supermassivo:
Wikipedia

NGC 4151:
Wikipedia

XRISM (X-Ray Imaging and Spectroscopy Mission):
JAXA
NASA
ESA
Wikipedia