Velocidade de rotação de um buraco negro calculada pela primeira vez com precisão

2013-03-02

Ilustração de um buraco negro de grande massa com milhões a milhares de milhões de vezes a massa do Sol. Os buracos negros de grande massa são objectos extremamente densos enterrados no coração das galáxias. Crédito: NASA / JPL-Caltech.
Dois observatórios espaciais de raios-X
raios-X
A radiação X é a radiação electromagnética cujo comprimento de onda está compreendido entre o ultravioleta e os raios gama, ou seja, pertence ao intervalo de aproximadamente 0,1 Å a 100 Å. Descobertos em 1895, os raios-X tambêm são, por vezes, chamados de raios de Röntgen em homenagem ao seu descobridor. A radiação X é altamente penetrante, o que a torna muito útil, por exemplo, para obter radiografias.
, o NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array), da NASA
National Aeronautics and Space Administration (NASA)
Entidade norte-americana, fundada em 1958, que gere e executa os programas espaciais dos Estados Unidos da América.
, e o XMM-Newton
X-ray Spectroscopy Multi-Mirror Mission (XMM-Newton)
Satélite de raios-X da Agência Espacial Europeia colocado em órbita no dia 10 de Dezembro de 1999, com a ajuda de um foguetão Ariane 5. Este satélite é o segundo de uma série de missões no âmbito do programa espacial europeu de longo termo Horizon 2000.
, da Agência Espacial Europeia
European Space Agency (ESA)
A Agência Espacial Europeia foi fundada em 1975 e actualmente conta com 15 países membros, incluindo Portugal.
, ESA, uniram-se para medir, pela primeira vez, de forma definitiva, a velocidade de rotação de um buraco negro
buraco negro
Um buraco negro é um objecto cuja gravidade é tão forte que a sua velocidade de escape é superior à velocidade da luz. Em Astronomia, distinguem-se dois tipos de buraco negro: os buracos negros estelares, que resultam da morte de uma estrela de massa elevada, e os buracos negros galácticos, que existem no centro das galáxias activas.
com 2 milhões de vezes a massa do Sol
massa solar
Massa solar é a quantidade de massa existente no Sol e, simultaneamente, a unidade na qual os astrónomos exprimem as massas das estrelas, nebulosas e galáxias. Uma massa solar é igual a 1,989x1030 kg.
.

O buraco negro de grande massa
massa
A massa é uma medida da quantidade de matéria de um dado corpo.
situa-se no coração cheio de gás e poeira da galáxia
galáxia
Um vasto conjunto de estrelas, nebulosas, gás e poeira interestelar gravitacionalmente ligados. As galáxias classificam-se em três categorias principais: espirais, elípticas e irregulares.
NGC 1365 e gira quase tão depressa quanto o permite a teoria da gravidade de Einstein. Os resultados, que surgem num novo estudo na revista Nature, resolvem um longo debate sobre medições semelhantes realizadas para outros buracos negros e levam a uma melhor compreensão da evolução dos buracos negros e das galáxias.

"Os resultados são de extrema importância para a ciência dos buracos negros", disse Lou Kaluzienski, cientista do programa NuSTAR, na sede da NASA, em Washington.

As observações são também um teste poderoso à Teoria da Relatividade Geral
Teoria da Relatividade Geral
A Teoria da Relatividade Geral foi formulada por Albert Einstein em 1916 como expansão da Teoria da Relatividade Restrita (formulada em 1905) de forma a incluir o efeito da gravitação no espaço-tempo. Esta teoria propõe que o espaço-tempo é uma estrutura quadri-dimensional cuja curvatura é determinada pela presença de matéria. Neste sentido, a gravitação manifesta-se como curvatura do espaço-tempo, e não como uma força entre duas massas.
de Einstein, que diz que a gravidade pode curvar o espaço-tempo
espaço-tempo
O espaço-tempo é um conceito único introduzido por Albert Einstein no âmbito da Teoria da Relatividade Geral, que reconhece a união do espaço e do tempo.
, o tecido que molda o nosso Universo, e a luz que viaja através dele.

"Podemos seguir a matéria que gira em espiral para o interior de um buraco negro usando raios-X, emitidos a partir de regiões muito próximas do buraco negro", disse a co-autora do novo estudo e investigadora principal do NuSTAR, Fiona Harrison, do Instituto de Tecnologia da Califórnia, em Pasadena. "A radiação
radiação electromagnética
A radiação electromagnética, ou luz, pode ser considerada como composta por partículas (os fotões) ou ondas. As suas propriedades dependem do comprimento de onda: ondas ou fotões com comprimentos de onda mais longos traduzem radiação menos energética. A radiação electromagnética, ou luz, é usualmente descrita como um conjunto de bandas de radiação, como por exemplo o infravermelho, o rádio ou os raios-X.
que vemos é curvada e distorcida pelos movimentos das partículas e pela gravidade incrivelmente forte do buraco negro."

A missão NuSTAR, lançada em Junho de 2012, foi projectada para detectar em grande detalhe raios-X da mais alta energia. Complementa o trabalho de telescópios que observam raios-X de energia inferior, como o XMM-Newton e o Observatório Chandra
Chandra X-ray Observatory
O observatório de raios-X Chandra, lançado em 1999, faz parte do projecto dos Grandes Observatórios Espaciais da NASA. O seu nome homenageia Subrahmanyan Chandrasekhar, Prémio Nobel da Física em 1983. O Chandra detecta fontes de raios-X a milhares de milhões de anos-luz de nós. Observar em raios-X é a única forma de observar matéria muito quente, a milhões de graus Célsius. O Chandra detecta raios-X de regiões de alta energia, como por exemplo remanescentes de supernovas.
de raios-X. Os cientistas usam estes e outros telescópios para estimar as velocidades de rotação dos buracos negros.

Até agora, as medidas tinham sido obtidas com grande grau de incerteza devido às nuvens de gás, que podem ter obscurecido os buracos negros e confundido os resultados. Mas com a ajuda do XMM-Newton, o NuSTAR foi capaz de ver uma larga região do espectro correspondente às energias de raios-X e penetrar mais a fundo na região em torno do buraco negro. Os novos dados demonstram que os raios-X não estão a ser distorcidos pelas nuvens, mas pela enorme gravidade do buraco negro. Isto prova que as velocidades de rotação de buracos negros de grande massa podem ser determinadas de forma conclusiva.

"Se eu tivesse podido acrescentar um instrumento ao XMM-Newton, teria sido um telescópio como o NuSTAR", disse Norbert Schartel, cientista do projecto do XMM-Newton, no Centro de Astronomia Espacial Europeia, em Madrid. "Os raios-X de alta energia foram a peça essencial que faltava para resolver este quebra-cabeças."

Medir a rotação de um buraco negro de grande massa é fundamental para entender a história do seu passado e do da sua galáxia hospedeira.

"Estes monstros, com massas de milhões a milhares de milhões de vezes a massa do Sol
Sol
O Sol é a estrela nossa vizinha, que se encontra no centro do Sistema Solar. Trata-se de uma estrela anã adulta (dita da sequência principal) de classe espectral G. A temperatura na sua superfície é aproximadamente 5800 graus centígrados e o seu raio atinge os 700 mil quilómetros.
, formaram-se como pequenas sementes no início do Universo e cresceram, quer engolindo estrelas
estrela
Uma estrela é um objecto celeste gasoso que gera energia no seu núcleo através de reacções de fusão nuclear. Para que tal possa suceder, é necessário que o objecto possua uma massa superior a 8% da massa do Sol. Existem vários tipos de estrelas, de acordo com as suas temperaturas efectivas, cores, idades e composição química.
e gás das suas galáxias hospedeiras, quer fundindo-se com outros buracos negros gigantes quando as galáxias colidiram, ou então das duas formas, "disse o autor principal do estudo, Guido Risaliti, do Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica, em Cambridge, Massachusetts, e do Instituto Nacional Italiano de Astrofísica.

Os buracos negros de grande massa estão rodeados por discos de acreção
disco de acreção
Disco composto por gás e poeira interestelares que pode circundar buracos negros, estrelas de neutrões, variáveis cataclísmicas, ou estrelas em formação.
, formados à medida que a gravidade arrasta matéria para o seu interior. A teoria de Einstein prevê que quanto mais depressa um buraco negro gira, mais perto dele se situa o seu disco de acreção
acreção
Designa-se por acreção a acumulação de matéria (gás e poeira) para um astro central, como por exemplo um buraco negro, uma estrela, uma galáxia, ou um planeta.
. E quanto mais próximo o disco de acreção estiver, mais a gravidade do buraco negro irá deformar o fluxo de raios-X para fora do disco.

Os astrónomos procuram estes efeitos de deformação analisando os raios-X emitidos pelo ferro que circula no disco de acreção. No novo estudo, usaram em simultâneo o XMM-Newton e o NuSTAR para observarem o buraco negro em NGC 1365. Enquanto o XMM-Newton revelou que a luz do ferro estava a ser deformada, o NuSTAR provou que essa deformação se devia à gravidade do buraco negro e não a nuvens de gás na vizinhança. Os dados de raios-X de alta energia provenientes do NuStar mostraram que o ferro estava a uma tão curta distância do buraco negro que a gravidade deste teria de estar a causar os efeitos de deformação.

Com o descartar da possibilidade de nuvens a obscurecer, os cientistas podem agora usar as alterações na assinatura espectral do ferro para medir a velocidade de rotação do buraco negro. As descobertas aplicam-se também a vários outros buracos negros, eliminando a incerteza nas velocidades de rotação previamente medidas.

Fonte da notícia: http://www.nasa.gov/mission_pages/nustar/news/nustar20130227.html