Anéis gigantes são descobertos em torno de buraco negro

Explosão de raios X no sistema V404 Cygni, a quase 8 mil anos-luz da Terra, é responsável pela criação dos anéis

Os anéis detectados pelos dois observatórios. Créditos: Raios X – Nasa/CXC/Universidade de Wisconsin-Madison/S. Heinz et al.; Ótico/infravermelho – Pan-STARRS

A imagem acima apresenta um conjunto espetacular de anéis ao redor de um buraco negro. Ela foi capturada com o uso do Observatório de raios X Chandra, da Nasa, e do Observatório Neil Gehrels Swift. As imagens de raios X dos anéis gigantes revelam informações sobre a poeira localizada em nossa galáxia, usando um princípio semelhante aos raios X realizados em consultórios médicos e aeroportos.

O buraco negro é parte de um sistema binário chamado V404 Cygni, localizado a cerca de 7.800 anos-luz da Terra. O buraco negro está ativamente puxando material de uma estrela companheira – com cerca de metade da massa do Sol – em um disco ao redor do objeto invisível. Esse material brilha em raios X, então os astrônomos se referem a esses sistemas como “binários de raios X”.

Em 5 de junho de 2015, o observatório Swift descobriu uma explosão de raios X no V404 Cygni. A explosão criou os anéis de alta energia a partir de um fenômeno conhecido como ecos de luz. Em vez de ondas sonoras ricocheteando em uma parede de cânion, os ecos de luz em torno do V404 Cygni foram produzidos quando uma explosão de raios X do sistema do buraco negro ricocheteou nas nuvens de poeira entre o V404 Cygni e a Terra. A poeira cósmica não é como a poeira doméstica, mas sim a fumaça, e consiste em minúsculas partículas sólidas.

Reflexo em nuvens de poeira

Nesta imagem composta, os raios X do Chandra (azul claro) foram combinados com dados ópticos do telescópio Pan-STARRS no Havaí que mostram as estrelas no campo de visão. A imagem contém oito anéis concêntricos separados. Cada anel é criado por raios X de clarões do V404 Cygni observados em 2015 que refletem em diferentes nuvens de poeira. (A ilustração de um artista apresentada mais abaixo explica como os anéis vistos por Chandra e Swift foram produzidos. Para simplificar o gráfico, a ilustração mostra apenas quatro anéis em vez de oito.)

Uma equipe de pesquisadores liderada por Sebastian Heinz, da Universidade de Wisconsin em Madison (EUA), analisou 50 observações do sistema feitas pelo Swift entre 30 de junho e 25 de agosto de 2015, e observações do Chandra feitas em 11 e 25 de julho de 2015. Foi um evento tão brilhante que os operadores do Chandra colocaram propositadamente o V404 Cygni entre os detectores para que outra explosão brilhante não danificasse o instrumento.

Os anéis informam aos astrônomos não apenas sobre o comportamento do buraco negro, mas também sobre o cenário entre o V404 Cygni e a Terra. Por exemplo, o diâmetro dos anéis nos raios X revela as distâncias às nuvens de poeira intermediárias em que a luz ricocheteou. Se a nuvem estiver mais próxima da Terra, o anel parecerá maior e vice-versa. Os ecos de luz aparecem como anéis estreitos em vez de anéis largos ou halos porque a explosão de raios X durou um período de tempo relativamente curto.

Reflexo em nuvens de poeira

Os pesquisadores também usaram os anéis para sondar as propriedades das próprias nuvens de poeira. Eles compararam os espectros de raios X – isto é, o brilho dos raios X em uma faixa de comprimentos de onda – a modelos de computador de poeira com composições diversas. Composições de poeira diferentes resultarão em diferentes quantidades de raios X de baixa energia sendo absorvidas e impedidas de serem detectadas com o Chandra. Esse é um princípio semelhante ao modo como diferentes partes de nosso corpo ou nossa bagagem absorvem diferentes quantidades de raios X, fornecendo informações sobre sua estrutura e composição.

A equipe determinou que a poeira provavelmente contém misturas de grãos de grafite e silicato. Além disso, analisando os anéis internos com o Chandra, eles descobriram que as densidades das nuvens de poeira não são uniformes em todas as direções. Estudos anteriores presumiam que não.

Ilustração que mostra em detalhes como a estrutura em anel vista pelos observatórios Chandra e Swift é produzida. Cada anel é causado por raios X refletidos em diferentes nuvens de poeira. Se a nuvem estiver mais perto de nós, o anel parece ser maior. O resultado é um conjunto de anéis concêntricos com diferentes tamanhos aparentes, dependendo da distância da nuvem intermediária de nós. Crédito: Universidade de Wisconsin-Madison/S.Heinz
Muitos anos de análise

Um artigo descrevendo os resultados do V404 Cygni foi publicado na edição de 1º de julho de 2016 da revista The Astrophysical Journal (pré-impressão). Os autores do estudo são Sebastian Heinz, Lia Corrales (Universidade de Michigan); Randall Smith (Centro de Astrofísica | Harvard & Smithsonian); Niel Brandt (Universidade Estadual da Pensilvânia); Peter Jonker (Instituto Holandês de Pesquisa Espacial); Richard Plotkin (Universidade de Nevada em Reno); e Joey Neilson (Villanova University).

Esse resultado está relacionado a uma descoberta semelhante do binário de raios X Circinus X-1, que contém uma estrela de nêutrons em vez de um buraco negro, publicado em um artigo em 20 de junho de 2015 no The Astrophysical Journal. Esse estudo também foi liderado por Sebastian Heinz.

Vários artigos publicados todos os anos relatam estudos sobre a explosão de V404 Cygni em 2015 que causou esses anéis. Explosões anteriores foram registradas em 1938, 1956 e 1989. Então, os astrônomos ainda podem ter muitos anos para continuar analisando a de 2015.

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