Os buracos negros supermassivos situam-se nos centros da maioria das galáxias. As suas massas variam de centenas de milhares a milhares de milhões de vezes a massa do nosso Sol. Apesar disso, os buracos negros são elusivos, aprisionando a luz e permanecendo difíceis de detetar.

Um buraco negro supermassivo oculto pode ser encontrado quando uma estrela vagueia perto dele. A estrela é rasgada por fortes forças de maré, formando um disco de detritos estelares sobre os quais o buraco negro se alimenta. Raios-X, UV, luz visível e rádio podem ser detetados durante este processo conhecido como um evento de perturbação de marés.

Não totalmente destruída

Os típicos eventos de perturbação de marés exibem um surto brilhante de luz, que dura alguns meses durante os quais o buraco negro consome a estrela. No entanto, o XMM-Newton observou dois novos surtos com comportamento peculiar. Estas erupções brilham repetidamente em raios-X e luz UV após a primeira erupção, sugerindo que as estrelas não foram totalmente destruídas durante o encontro inicial com os buracos negros.

Os estudos liderados pelos astrónomos Thomas Wevers do ESO e Zhu Liu do Instituto Max Planck para Física Extraterrestre, Alemanha, revelam que parte das estrelas pode ter sobrevivido ao primeiro ataque dos buracos negros. Os dados dos raios-X e UV sugerem que partes das estrelas não são totalmente consumidas, continuam a sua órbita e encontram novamente o buraco negro perturbador, levando a erupções recorrentes. Esta atividade é chamada um evento de perturbação parcial de marés.

Os astrónomos encontraram erupções repetidas de duas galáxias separadas que albergam buracos negros supermassivos. Estas galáxias encontram-se muito para além da periferia da Via Láctea, a distâncias de quase 900 milhões de anos-luz e mil milhões de anos-luz.

Um dos eventos de novo aumento de brilho, chamado eRASSt J045650.3−203750, foi descoberto pelo telescópio de raios-X eROSITA a bordo da missão SXG (Spectrum-X-Gamma ou Spektr-RG). As observações do XMM-Newton em 2021 e 2022, por uma equipa liderada por Zhu, descobriram que o surto original foi seguido por explosões repetidas aproximadamente a cada 223 dias.

Zhu explica: "Os resultados da nossa primeira observação XMM-Newton foram surpreendentes. O buraco negro mostrou um escurecimento drástico de raios-X, em comparação com quando tinha sido descoberto duas semanas antes pelo telescópio eROSITA. As observações de acompanhamento com o XMM-Newton e outros instrumentos confirmaram as nossas especulações de que este comportamento estava a ser provocado por um evento de perturbação parcial de marés".

O outro evento de perturbação de marés, chamado AT2018fyk, foi descoberto pelo ASAS-SN (All-Sky Automated Survey for Supernovae). Brilhou no ultravioleta e em raios-X durante pelo menos 500 dias, seguido de um súbito escurecimento. Em maio de 2022, Thomas e colegas utilizaram o XMM-Newton para estudar o aumento dramático de brilho dos raios-X e da luz UV 1200 dias após o seu primeiro aparecimento.

Os buracos negros supermassivos encontram-se no centro da maioria das galáxias e são a fonte de algumas das atividades mais extremas do Universo. As suas grandes massas concentradas em pequenos volumes levam a fortes forças gravitacionais. Esta impressão de artista mostra uma estrela puxada para a órbita em torno de um buraco negro, com consequências brilhantes.
O primeiro painel mostra uma estrela (esquerda) em aproximação a um buraco negro (direita). O buraco negro atrai a estrela para mais perto e o painel 2 mostra a estrela a começar a ser dilacerada por fortes forças de maré. Um fluxo de material laranja arrancado das camadas exteriores da estrela cai em direção ao buraco negro no painel 3. Este fluxo alimenta o buraco negro e forma um disco de material alaranjado brilhante à sua volta, visto no quarto painel. O material estelar restante do fluxo é colorido a azul. Este processo cria surtos de raios-X, luz UV e ótica num evento conhecido como um evento de perturbação de marés.
Normalmente, é necessário apenas um encontro com o buraco negro para engolir totalmente a estrela. Contudo, em raras ocasiões, o núcleo da estrela sobrevive e inicia outra órbita elíptica do buraco negro. Isto pode ser visto à medida que a estrela sombreada se move ao longo de diferentes posições na órbita no painel 4.
O disco que rodeia o buraco negro escurece, como se vê no painel 5. A estrela aproxima-se novamente do buraco negro, e outra explosão de luz é libertada quando o buraco negro retira novamente material do núcleo sobrevivente da estrela. Este evento de perturbação parcial de marés acrescenta mais material ao brilhante disco de acreção laranja em redor do buraco negro no sexto painel, e os traços azuis do fluxo de material estelar persistem. A cor mais clara do disco de acreção, em comparação com o quarto painel, indica que as explosões de luz são mais fracas após o primeiro encontro com o buraco negro. Menos material é puxado para dentro do disco oriundo da estrela, levando a erupções de luz mais ténues.
Duas equipas de astrónomos utilizaram o XMM-Newton da ESA para observar dois eventos repetidos de perturbação de marés em 2021 e 2022. Eventos como estes são essenciais para compreender melhor os buracos negros, que são normalmente invisíveis devido às fortes forças gravitacionais que aprisionam tudo, incluindo a luz.
Crédito: ESA

Regressando à teoria

"Ao início, ficámos absolutamente perplexos com o que poderiam significar estes novos aumentos de brilho. Tivemos de voltar atrás e avaliar todas as opções possíveis para explicar o comportamento observado. Foi um momento muito excitante quando percebemos que o modelo para um evento de perturbação de marés repetitivo podia reproduzir os dados observados", acrescenta Thomas.

No total, mais de cinco dias de observações do XMM-Newton foram usados para monitorizar a mudança de raios-X proveniente destas fontes. O extremamente sensível instrumento EPIC (European Photon Imaging Camera), a bordo do XMM-Newton, ajudou a estudar em grande detalhe o material quente que rodeava os buracos negros.

William Alston, investigador da ESA, explica o significado dos resultados. "Estas novas observações são incrivelmente interessantes para o estudo da influência dos buracos negros supermassivos. Em eventos típicos de perturbação de marés, só esperamos ver um segundo surto daqui a alguns milhares de anos. Com erupções repetidas a ocorrerem tão rapidamente, a órbita da estrela perturbada deve ter passado bem perto do buraco negro supermassivo. Estes novos estudos sugerem que a estrela perturbada é puxada para uma órbita próxima depois de ser arrancada de um sistema binário pelo buraco negro supermassivo central".

As equipas que fizeram a nova descoberta estendem-se por todo o mundo - além do XMM-Newton e eROSITA, os estudos envolvem outras missões, incluindo o Observatório Neil Gehrels Swift da NASA, o ATCA (Australia Telescope Compact Array) e o NICER (Neutron Star Interior Composition Explorer) a bordo da Estação Espacial Internacional. As colaborações permitiram com que estes eventos cósmicos sem precedentes fossem observados, modelados e compreendidos com o detalhe máximo.

Normalmente escuros e silenciosos

Algumas galáxias estão constantemente ativas, emitindo erupções enquanto o buraco negro supermassivo puxa continuamente material gasoso para a sua órbita. Os dois novos eventos observados pelo XMM-Newton, no entanto, provêm de buracos negros que geralmente são escuros e quietos, até que uma estrela se aproxima. Estes eventos são a primeira vez que explosões repetidas foram detetadas a partir de galáxias inativas. Os resultados destes estudos foram publicados em dois artigos científicos, um na revista Astronomy & Astrophysics e o outro na revista The Astrophysical Journal Letters.

Desde a sua descoberta, na década de 1990, que foram observados quase 100 eventos de perturbação de marés. As observações do XMM-Newton são vitais para compreender melhor os buracos negros supermassivos, difíceis de observar, que se encontram no centro de grandes galáxias como a nossa.

Ambos os eventos de perturbação parcial de marés serão acompanhados de perto durante os futuros períodos previstos de novo aumento de brilho, a fim de confirmar estas descobertas e de fazer novas. Os observadores poderão ser recebidos com silêncio, indicando que a alimentação da estrela pelo buraco negro ficou concluída no episódio anterior. Esperam-se mais tempos turbulentos - começou a caça por semelhantes eventos de perturbação parcial de marés.

// ESA (comunicado de imprensa)
// Instituto Max Planck para Física Extraterrestre (comunicado de imprensa)
// Universidade de Syracuse (comunicado de imprensa)
// Artigo científico por Wevers et al. (The Astrophysical Journal Letters)
// Artigo científico por Wevers et al. (arXiv.org)
// Artigo científico por Liu et al. (Astronomy & Astrophysics)
// Artigo científico por Liu et al. (arXiv.org)

Quer saber mais?

Notícias relacionadas:
EurekAlert!
SPACE.com
New Scientist
ScienceDaily
PHYSORG

AT2018fyk:
TNS

Evento de perturbação de marés:
Wikipedia

Buraco negro supermassivo:
Wikipedia

Observatório XMM-Newton:
ESA
Wikipedia

eROSITA:
Instituto Max Planck para Física Extraterrestre
Wikipedia

Missão SXG:
Wikipedia

Levantamento ASAS-SN:
Universidade Estatal do Ohio
Universidade Estatal do Ohio #2
Wikipedia

Observatório Neil Gehrels Swift:
NASA
Wikipedia

ATCA:
Página principal
Wikipedia

NICER:
NASA
Wikipedia