Os astrónomos usaram o Event Horizon Telescope (EHT) para observar uma violenta dança cósmica entre um suposto par de buracos negros supermassivos no coração de uma galáxia distante. A evidência deste encontro entre monstros cósmicos reside nas propriedades distorcidas dos jatos que irrompem em torno dos buracos negros.
O buraco negro supermassivo par, ou binário, esconde-se no coração do quasar OJ287, localizado no centro de uma galáxia a cerca de 1,6 mil milhões de anos-luz de distância da Terra. Usando um nível de resolução que seria capaz de detectar uma bola de tênis na superfície da lua, a equipe detectou duas ondas de choque fluindo pelo jato do OJ287. Os choques, curiosamente, foram vistos viajando em velocidades diferentes. E à medida que viajam, passando por fortes campos magnéticos, estas ondas de choque parecem produzir um fenómeno nunca antes visto.
Desde então, o EHT continuou a agitar a ciência dos buracos negros.
“Este resultado mostra que o EHT não é apenas útil para produzir imagens espetaculares, mas também pode ser usado para compreender a física que governa os jatos dos buracos negros”, disse Mariafelicia De Laurentis, membro da equipe do EHT, em comunicado. “Distinguir observacionalmente entre o que é devido à geometria e o que é resultado de processos físicos reais é um passo fundamental na comparação de modelos teóricos com observações.”
Instantâneos de um jato de buraco negro
A equipe capturou dois instantâneos do sistema OJ287 em 5 de abril de 2017 e, em seguida, em 10 de abril do mesmo ano. Estes revelaram mudanças substanciais tanto na estrutura como na polarização do OJ287 que ocorreram ao longo de apenas cinco dias terrestres. Este é o intervalo mais curto durante o qual tais mudanças foram observadas num jato de buraco negro.
Acredita-se que essas mudanças sejam o resultado de choques interagindo com instabilidades de velocidade, chamadas instabilidades de Kelvin-Helmholtz. Eles resultam em uma estrutura altamente torcida dentro de um jato, com três componentes polarizados distintos: dois mais lentos e girando em direções opostas um ao outro, um mais rápido e girando no sentido anti-horário. Isto representou a primeira confirmação direta de um campo magnético helicoidal com o jato de um buraco negro.
“Estamos resolvendo espacialmente os componentes individuais do choque e observando sua interação com as instabilidades de Kelvin-Helmholtz”, disse o membro da equipe Ilje Cho, do Instituto Coreano de Astronomia e Ciência Espacial. “Esta é a primeira vez que observamos diretamente esta interação entre choques e instabilidades num jato de buraco negro.”
“Essas variações observadas no jato são geralmente interpretadas em termos de um efeito de precessão do próprio jato. No entanto, os modelos de precessão esperariam que os componentes do jato se movessem balisticamente ao longo do jato”, disse Rocco Lico, membro da equipe EHT do Instituto Nacional Italiano de Astrofísica (INAF). “Nossas observações, no entanto, indicam movimentos não balísticos desses componentes, questionando a hipótese da precessão como a única explicação para a morfologia observada da fonte”. Os movimentos rápidos medidos pela equipe sugeriram que a energia cinética das partículas excede a energia magnética nas regiões internas do jato. Isto favorece o desenvolvimento de instabilidades Kelvin-Helmholtz, que surgem devido à diferença de velocidade na superfície entre o jato, que se move a velocidades próximas da velocidade da luz, e a matéria circundante, muito mais lenta. Estas instabilidades podem causar distorções em forma de hélice que se manifestam como uma estrutura “torcida”, tal como a que o EHT detectou no jacto OJ287.
A estrutura torcida do jato observada em OJ287, o alto grau de polarização dos três componentes e a evolução de seus ângulos de polarização indicam uma interação complexa entre instabilidades de Kelvin-Helmholtz e choques em um jato permeado por um campo magnético helicoidal.
“Essas rotações em direções opostas são a prova definitiva”, disse o líder da equipe de pesquisa José L. Gómez, do Instituto de Astrofísica da Andaluzia-Csic, no comunicado. “Quando os componentes da onda de choque interagem com a instabilidade Kelvin-Helmholtz, eles iluminam diferentes fases da estrutura helicoidal do campo magnético, produzindo as oscilações de polarização que observamos”.
O modelo da equipe propõe que as instabilidades Kelvin-Helmholtz geram estruturas filamentares que interagem com a propagação de choques no jato.
“Essas interações comprimem o campo magnético e amplificam a emissão em regiões específicas do jato, explicando as características observadas tanto na intensidade total quanto na luz polarizada, bem como as rápidas variações nos ângulos de polarização e os movimentos aparentemente não balísticos observados, apesar da presença de um jato globalmente retilíneo”, disse Lico. “Pela primeira vez, dados EHT de alta resolução permitem-nos visualizar diretamente estas estruturas, fornecendo evidências concretas da interação entre instabilidades de jatos, choques e campos magnéticos helicoidais.”
OJ287 foi o candidato ideal para fazer estas observações porque os buracos negros supermassivos dançantes deste par são bem conhecidos pelas suas explosões periódicas, tornando-o um laboratório único para estudar a física dos buracos negros.
A pesquisa da equipe foi publicada em 8 de janeiro na revista Astronomia e Astrofísica.
