A equipa de visualização da NASA criou uma sobreposição de uma imagem da Via Láctea, tirada pelo observatório espacial Gaia da ESA e uma visualização das simulações das bolhas eRosita e Fermi preparadas por Karen Yang (autora principal do estudo e professora assistente na Universidade Nacional Tsing Hua em Taiwan) em cooperação com os coautores do artigo Mateusz Ruszkowski (Universidade do Michigan) e Ellen Zweibel (Universidade do Wisconsin).
Crédito: ESA/Gaia/DPAC

Em 2020, o telescópio de raios-X eRosita obteve imagens de duas enormes bolhas que se estendiam muito acima e abaixo do centro da nossa Galáxia.

Desde então, os astrónomos têm debatido a sua origem. Agora, um estudo que inclui investigações pela Universidade do Michigan sugere que as bolhas são o resultado de um poderoso jato de atividade do buraco negro supermassivo no centro da Via Láctea. O estudo, publicado na revista Nature Astronomy, também mostra que o jato começou a expelir material há cerca de 2,6 milhões de anos, e durou cerca de 100.000 anos.

Os resultados da equipa sugerem que as bolhas Fermi, descobertas em 2010, e a névoa de micro-ondas - um "nevoeiro" de partículas carregadas aproximadamente no centro da Galáxia - foram formadas pelo mesmo jato de energia do buraco negro supermassivo. O estudo foi liderado pela Universidade Nacional Tsing Hua em colaboração com a Universidade do Michigan e com a Universidade do Wisconsin.

"As nossas descobertas são importantes no sentido de que precisamos de compreender como os buracos negros interagem com as galáxias onde estão dentro, porque esta interação permite que estes buracos negros cresçam de forma controlada em vez de crescerem incontrolavelmente," disse o astrónomo Mateusz Ruszkowski, da Universidade do Michigan, coautor do estudo. "Se pensarmos no modelo destas bolhas de Fermi ou eRosita como sendo conduzidas por buracos negros supermassivos, podemos começar a responder a estas questões profundas."

Há dois modelos concorrentes que explicam estas bolhas, chamadas Fermi e eRosita em honra aos telescópios que as descobriram, diz Ruszkowski. O primeiro sugere que o fluxo é impulsionado por explosões nucleares, no qual uma estrela explode numa supernova e expulsa material. O segundo modelo, que as descobertas da equipa apoiam, sugere que estes fluxos são impulsionados pela energia expulsa por um buraco negro supermassivo no centro da nossa Galáxia.

Estes fluxos de buracos negros ocorrem quando o material viaja em direção ao buraco negro, mas nunca atravessa o horizonte de eventos, a superfície matemática abaixo da qual nada pode escapar. Como parte deste material é atirado de volta para o espaço, os buracos negros não crescem de forma incontrolável. Mas a energia atirada do buraco negro desloca o material perto do buraco negro, criando estas grandes bolhas.

As estruturas propriamente ditas têm 11 quiloparsecs de altura. Um parsec é equivalente a 3,26 anos-luz, ou cerca de três vezes a distância que a luz percorre ao longo de um ano. As estruturas, portanto, têm quase 36.000 anos-luz de altura.

Para comparação, a Via Láctea tem 30 quiloparsecs em diâmetro e o nosso Sistema Solar reside a cerca de 8 quiloparsecs do centro da Galáxia. As bolhas eRosita têm cerca de duas vezes o tamanho das bolhas Fermi e, de acordo com os investigadores, são expandidas pela onda de energia, ou onda de choque, empurrada para fora pelas bolhas Fermi.

Os astrónomos estão interessados na observação destas bolhas eRosita em particular porque ocorrem no nosso próprio quintal galáctico em oposição a objetos numa galáxia diferente ou a uma distância cosmológica extrema. A nossa proximidade com os fluxos significa que os astrónomos podem recolher uma enorme quantidade de dados, diz Ruszkowski. Estes dados podem dizer aos astrónomos a quantidade de energia no jato a partir do buraco negro, durante quanto tempo esta energia foi injetada e que material compreende as bolhas.

"Não só podemos descartar o modelo de explosões nucleares, como também podemos refinar os parâmetros necessários para produzir as mesmas imagens, ou algo muito semelhante ao que está no céu, dentro desse modelo de buraco negro supermassivo," disse Ruszkowski. "Podemos restringir melhor certas coisas, tais como quanta energia foi injetada, o que está dentro destas bolhas e durante quanto tempo foi a energia injetada para produzir estas bolhas."

O que há dentro delas? Raios cósmicos, uma forma de radiação altamente energética. A bolhas eRosita envolvem as bolhas Fermi, cujo conteúdo é desconhecido. Mas os modelos dos investigadores podem prever a quantidade de raios cósmicos no interior de cada uma das estruturas. A injeção de energia do buraco negro insuflou as bolhas e a energia propriamente dita foi sob a forma de energia cinética, térmica e de raios cósmicos. Destas formas de energia, a missão Fermi só podia detetar o sinal dos raios-gama dos raios cósmicos.

Karen Yang, autora principal do estudo e professora assistente na Universidade Nacional Tsing Hua em Taiwan, começou a trabalhar numa versão inicial do código utilizado na modelagem deste trabalho como investigadora pós-doutorada na Universidade do Michigan com Ruszkowski. Para chegar às suas conclusões, os cientistas efetuaram simulações numéricas da libertação de energia que têm em conta a hidrodinâmica, a gravidade e os raios cósmicos.

"A nossa simulação é única na medida em que tem em conta a interação entre os raios cósmicos e o gás dentro da Via Láctea. Os raios cósmicos, injetados com os jatos do buraco negro, expandem-se e formam as bolhas Fermi que brilham em raios-gama," disse Yang.

"A mesma explosão empurra o gás para longe do Centro Galáctico e forma uma onda de choque que é observada como as bolhas eRosita. A nova observação das bolhas eRosita permitiu-nos restringir com maior precisão a duração da atividade do buraco negro, e compreender melhor a história passada da nossa própria Galáxia."

O modelo dos investigadores exclui a teoria da explosão nuclear de estrelas porque a duração típica de uma explosão deste género, e, portanto, o período de tempo em que uma explosão injetaria a energia que forma as bolhas, é de cerca de 10 mil milhões de anos, segundo a coautora Elle Zweibel, professora de astronomia e física na Universidade do Wisconsin.

"Por outro lado, o nosso modelo do buraco negro ativo prevê com precisão as dimensões relativas das bolhas de raios-X eRosita e das bolhas de raios-gama Fermi, desde que o tempo de injeção energética seja cerca de um por cento disso, ou um-décimo de um milhão de anos," disse Zweibel.

"A injeção de energia durante 10 milhões de anos produziria bolhas com uma aparência completamente diferente. É a oportunidade de comparar as bolhas de raios-X e de raios-gama que fornecem a peça crucial anteriormente em falta."

Os investigadores utilizaram dados da missão eRosita, do Telescópio Espacial de Raios-gama Fermi da NASA, do Observatório Planck e do WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe).