O IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer) da NASA ajudou os astrónomos a compreender melhor as formas das estruturas essenciais a um buraco negro - especificamente, o disco de material que gira à sua volta e a região de plasma em movimento de nome coroa.

O buraco negro de massa estelar, que faz parte do sistema binário Swift J1727.8-1613, foi descoberto no verão de 2023 durante um evento de brilho invulgar que o fez ofuscar brevemente quase todas as outras fontes de raios X. É o primeiro do seu género a ser observado pelo IXPE, uma vez que acompanhou o início, o pico e a conclusão de uma explosão de raios X como esta.

Swift J1727 é o objeto de uma série de novos estudos publicados na revista The Astrophysical Journal e na revista Astronomy & Astrophysics. Os cientistas afirmam que as descobertas fornecem novos conhecimentos sobre o comportamento e a evolução dos sistemas binários de raios X com buracos negros.

"Este surto evoluiu de forma incrivelmente rápida", disse a astrofísica Alexandra Veledina, investigadora na Universidade de Turku, Finlândia. "Desde a nossa primeira deteção da explosão, Swift J1727 demorou apenas alguns dias a atingir o pico. Nessa altura, o IXPE e muitos outros telescópios e instrumentos já estavam a recolher dados. Foi emocionante observar o surto durante todo o seu regresso à inatividade".

Até finais de 2023, Swift J1727 permaneceu brevemente mais brilhante do que a Nebulosa do Caranguejo, a "vela" padrão de raios X utilizada para fornecer uma linha de base para unidades de brilho de raios X. Tais explosões não são invulgares em sistemas estelares binários, mas raramente ocorrem de forma tão intensa e tão perto de casa - a apenas 8800 anos-luz da Terra. O sistema binário foi batizado em honra da Missão Swift, que inicialmente detetou a explosão com o seu instrumento BAT (Burst Alert Telescope) no dia 24 de agosto de 2023, resultando na descoberta do buraco negro.

Os sistemas binários de raios X incluem tipicamente duas estrelas próximas em diferentes fases do seu ciclo de vida. Quando a estrela mais velha fica sem combustível, explode como supernova, deixando para trás uma estrela de neutrões, uma anã branca ou um buraco negro. No caso de Swift J1727, a poderosa gravidade do buraco negro resultante retirou material da sua estrela companheira, aquecendo o material a quase 1 milhão de graus Celsius e produzindo uma vasta emissão de raios X. Esta matéria formou um disco de acreção e pode incluir uma coroa superaquecida. Nos polos do buraco negro, a matéria também pode escapar do sistema binário sob a forma de jatos relativistas.

O IXPE, que tem ajudado a NASA e os investigadores a estudar todos estes fenómenos, é especialista em polarização de raios X, a característica da luz que ajuda a mapear a forma e a estrutura destas fontes de energia ultrapoderosas, iluminando o seu funcionamento interno mesmo quando estão demasiado distantes para serem vistas diretamente.

"Como a luz não consegue escapar à sua gravidade, não podemos ver os buracos negros", disse Veledina. "Podemos apenas observar o que se passa à sua volta e tirar conclusões sobre os mecanismos e processos que aí ocorrem. O IXPE é crucial para esse trabalho".

Dois dos estudos de Swift J1727 recorrendo ao IXPE, liderados por Veledina e Adam Ingram, investigador da Universidade de Newcastle em Newcastle-upon-Tyne, Inglaterra, centraram-se nas primeiras fases da explosão. Durante o breve período de meses em que a fonte se tornou excecionalmente brilhante, a coroa foi a principal fonte de radiação de raios X observada.

"O IXPE documentou a polarização da radiação de raios X que viaja ao longo da direção estimada do jato do buraco negro, pelo que o plasma quente se estende no plano do disco de acreção", disse Veledina. "Descobertas semelhantes foram registadas no binário persistente do buraco negro Cygnus X-1, pelo que esta descoberta ajuda a verificar que a geometria é a mesma entre os sistemas eruptivos de curta duração".

A equipa monitorizou ainda a forma como os valores de polarização se alteraram durante o pico da erupção de Swift J1727. Estas conclusões coincidem com os resultados obtidos simultaneamente durante estudos de outras bandas de energia da radiação eletromagnética.

Um terceiro e quarto estudos, liderados pelos investigadores Jiří Svoboda e Jakub Podgorný, ambos da Academia Checa de Ciências em Praga, centraram-se na polarização de raios X na segunda parte da explosão de Swift J1727 e no seu regresso a um estado altamente energético vários meses depois. Pelos esforços anteriores de Podgorný utilizando dados IXPE e simulações de buracos negros, foi-lhe recentemente atribuído o prémio mais importante da Chéquia para uma tese de doutoramento em ciências naturais.

Os dados de polarização indicaram que a geometria da coroa não se alterou significativamente entre o início e o fim do surto, apesar de o sistema ter evoluído entretanto e de o brilho dos raios X ter diminuído drasticamente no último estado energético.

Os resultados representam um avanço significativo na nossa compreensão das formas e estruturas variáveis do disco de acreção, da coroa e das estruturas relacionadas dos buracos negros em geral. O estudo também demonstra o valor do IXPE como ferramenta para determinar a forma como todos estes elementos do sistema estão ligados, bem como o seu potencial para colaborar com outros observatórios na monitorização de mudanças súbitas e dramáticas no cosmos.

"São necessárias mais observações da matéria perto de buracos negros em sistemas binários, mas a primeira campanha de observação bem-sucedida de Swift J1727.8-1613 em diferentes estados é o melhor começo de um novo capítulo que poderíamos imaginar", disse Michal Dovčiak, coautor da série de artigos científicos e líder do grupo de trabalho IXPE sobre buracos negros de massa estelar, que também é investigador na Academia Checa de Ciências.

// NASA (comunicado de imprensa)
// Artigo científico #1 (The Astrophysical Journal Letters)
// Artigo científico #1 (arXiv.org)
// Artigo científico #2 (The Astrophysical Journal)
// Artigo científico #2 (arXiv.org)
// Artigo científico #3 (Astronomy & Astrophysics)
// Artigo científico #3 (arXiv.org)

Quer saber mais?

Binário de raios X:
Wikipedia

Erupção de raios X:
Wikipedia

Buraco negro de massa estelar:
Wikipedia

Cygnus X-1:
Wikipedia
SIMBAD

IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer):
NASA
Wikipedia

Observatório Neil Gehrels Swift:
NASA
Wikipedia