A Galáxia do Compasso, uma galáxia a cerca de 13 milhões de anos-luz de distância, contém um buraco negro supermassivo ativo que continua a influenciar a sua evolução. Pensava-se que a maior fonte de luz infravermelha da região mais próxima do buraco negro eram os fluxos de matéria superaquecida que eram projetados para fora.

Agora, novas observações do Telescópio Espacial James Webb da NASA, vistas aqui com uma nova imagem do Telescópio Espacial Hubble da NASA, fornecem evidências que invertem esta ideia, sugerindo que a maior parte do material quente e poeirento está, de facto, a alimentar o buraco negro central. A técnica usada para recolher estes dados também tem potencial para analisar os componentes de fluxo e acreção de outros buracos negros próximos.

A investigação, que inclui a imagem mais nítida dos arredores de um buraco negro alguma vez obtida pelo Webb, foi publicada na passada terça-feira na revista Nature Communications.

A questão do fluxo

Os buracos negros supermassivos, como o da Galáxia do Compasso, mantêm-se ativos consumindo a matéria circundante. O gás e a poeira em queda acumulam-se num anel em forma de donut à volta do buraco negro, conhecido como toro. À medida que os buracos negros supermassivos recolhem matéria das paredes interiores do toro, formam um disco de acreção, semelhante a um remoinho de água à volta de um ralo. Este disco aquece por fricção, acabando por ficar suficientemente quente para emitir luz.

Esta matéria incandescente pode tornar-se tão brilhante que a resolução de pormenores no centro da galáxia, com telescópios terrestres, é difícil. É ainda mais difícil devido à luz brilhante e oculta das estrelas no interior da Galáxia do Compasso. Além disso, como o toro é incrivelmente denso, a região interior do material em queda, aquecido pelo buraco negro, é obscurecida do nosso ponto de vista. Durante décadas, os astrónomos lutaram contra estas dificuldades, concebendo e melhorando modelos da Galáxia do Compasso com o máximo de dados que conseguiam reunir.

Esta ilustração representa o motor central da Galáxia do Compasso, visualizando o buraco negro supermassivo alimentado por um toro espesso e poeirento que brilha no infravermelho. Crédito: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI)

"Para estudar o buraco negro supermassivo, apesar de não o conseguirem resolver, tiveram de obter a intensidade total da região interior da galáxia numa grande gama de comprimentos de onda e depois introduzir esses dados nos modelos", disse o autor principal Enrique Lopez-Rodriguez da Universidade da Carolina do Sul, EUA.

Os primeiros modelos ajustariam os espetros de regiões específicas, como as emissões do toro, as do disco de acreção mais próximo do buraco negro ou as dos fluxos, cada uma detetada em determinados comprimentos de onda da luz. No entanto, como a região não podia ser resolvida na sua totalidade, estes modelos deixavam dúvidas em vários comprimentos de onda. Por exemplo, alguns telescópios conseguiam detetar um excesso de luz infravermelha, mas não tinham a resolução necessária para determinar de onde vinha exatamente.

"Desde a década de 1990 que não é possível explicar o excesso de emissões infravermelhas que provêm da poeira quente nos núcleos das galáxias ativas, o que significa que os modelos apenas têm em conta o toro ou os fluxos, mas não conseguem explicar esse excesso", disse Lopez-Rodriguez.

Esses modelos concluíram que a maior parte da emissão (e, portanto, da massa) perto do centro provinha dos fluxos. Para testar esta teoria, os astrónomos precisavam de duas coisas: a capacidade de filtrar a luz das estrelas, que anteriormente impedia uma análise mais profunda, e a capacidade de distinguir as emissões infravermelhas do toro das dos fluxos. O Webb, sensível e tecnologicamente sofisticado o suficiente para responder a ambos os desafios, era necessário para fazer avançar a nossa compreensão.

A técnica inovadora do Webb

Para olhar para o centro da Galáxia do Compasso, o Webb precisou da ferramenta AMI (Aperture Masking Interferometer) do seu instrumento NIRISS (Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph).

Na Terra, os interferómetros assumem normalmente a forma de conjuntos de telescópios: espelhos ou antenas que funcionam em conjunto como se fossem um único telescópio. Um interferómetro faz isto recolhendo e combinando a luz de qualquer fonte para a qual esteja apontado, fazendo com que as ondas eletromagnéticas que compõem a luz "interfiram" umas com as outras (daí o termo "interferómetro") e criando padrões de interferência. Estes padrões podem ser analisados pelos astrónomos para reconstruir o tamanho, a forma e as características de objetos distantes com muito mais pormenor do que as técnicas não interferométricas.

A ferramenta AMI permite que o Webb se transforme num conjunto de telescópios mais pequenos que trabalham em conjunto como um interferómetro, criando por si só estes padrões de interferência. Para tal, utiliza uma abertura especial composta por sete pequenos orifícios hexagonais que, tal como em fotografia, controlam a quantidade e a direção da luz que entra nos detetores do telescópio.

"Estes orifícios na máscara são transformados em pequenos coletores de luz que guiam a luz para o detetor da câmara e criam um padrão de interferência", disse Joel Sanchez-Bermudez, coautor da Universidade Nacional do México.

Com os novos dados em mão, a equipa de investigação foi capaz de construir uma imagem a partir dos padrões de interferência da região central. Para o fazer, referenciaram dados de observações anteriores para garantir que os dados do Webb estavam livres de quaisquer artefactos. O resultado foi a primeira observação extragalática de um interferómetro infravermelho no espaço.

"Ao utilizar um avançado modo de imagem da câmara, podemos efetivamente duplicar a sua resolução numa área mais pequena do céu", disse Sanchez-Bermudez. "Isto permite-nos ver imagens duas vezes mais nítidas. Em vez dos 6,5 metros de diâmetro do Webb, é como se estivéssemos a observar esta região com um telescópio espacial de 13 metros".

Os dados mostraram que, contrariamente aos modelos que previam que o excesso de infravermelhos provinha dos fluxos, cerca de 87% das emissões infravermelhas da poeira quente na Galáxia do Compasso provêm das áreas mais próximas do buraco negro, enquanto menos de 1% das emissões provêm dos fluxos de poeira quente. Os restantes 12% provêm de distâncias mais afastadas que não podiam ser distinguidas anteriormente.

"É a primeira vez que se usa um modo de alto contraste do Webb para observar uma fonte extragalática", disse Julien Girard, coautor do artigo científico e investigador sénior do STScI (Space Telescope Science Institute). "Esperamos que o nosso trabalho inspire outros astrónomos a usar o modo AMI para estudar estruturas poeirentas ténues, mas relativamente pequenas, na vizinhança de qualquer objeto brilhante".

Universo de buracos negros

Embora o mistério do excesso de emissões da Galáxia do Compasso tenha sido resolvido, existem milhares de milhões de buracos negros no nosso Universo. A equipa salienta que a existência de buracos negros com luminosidades diferentes pode influenciar o facto de a maior parte das emissões ser proveniente do toro de um buraco negro ou dos seus fluxos.

"O brilho intrínseco do disco de acreção da Galáxia do Compasso é muito moderado", disse Lopez-Rodriguez. "Por isso, faz sentido que as emissões sejam dominadas pelo toro. Mas talvez, para buracos negros mais brilhantes, as emissões sejam dominadas pelo fluxo".

Com esta investigação, os astrónomos têm agora uma técnica testada para investigar quaisquer buracos negros que queiram, desde que sejam suficientemente brilhantes para que a ferramenta AMI seja útil. O estudo de outros alvos será essencial para a construção de um catálogo de dados de emissões que permita descobrir se os resultados da Galáxia do Compasso são únicos ou característicos de um padrão.

"Precisamos de uma amostra estatística de buracos negros, talvez uma dúzia ou duas dúzias, para compreender como a massa nos seus discos de acreção e os seus fluxos se relacionam com a sua potência", disse Lopez-Rodriguez.

// NASA (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (Nature Communications)

Quer saber mais?

Buraco negro:
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Buraco negro supermassivo (Wikipedia)

Galáxia do Compasso:
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