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Uma equipe de pesquisa internacional liderada por Takuma Izumi, professor assistente do Observatório Astronômico Nacional do Japão, observou em alta resolução (aproximadamente 1 ano-luz) o núcleo galáctico ativo da Galáxia Circinus – uma das grandes galáxias mais próximas da Via Láctea. Caminho. A observação foi possível graças ao observatório astronômico Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA), no Chile.
Esta descoberta marca a primeira medição quantitativa do mundo nesta escala de fluxos de gás e suas estruturas de um buraco negro supermassivo próximo em todas as fases de gases, incluindo plasma, atômico e molecular. Essa alta resolução permitiu à equipe capturar o fluxo de acreção em direção ao buraco negro supermassivo, revelando que esse fluxo de acreção é gerado por um mecanismo físico conhecido como “instabilidade gravitacional”. Além disso, a equipa também descobriu que uma parte significativa deste fluxo de acreção não contribui para o crescimento do buraco negro. Em vez disso, a maior parte do gás é expelida da vizinhança do buraco negro como fluxos atómicos ou moleculares, e regressa ao disco de gás para participar novamente num fluxo de acreção em direção ao buraco negro, tal como a forma como a água é reciclada numa fonte de água. Estas descobertas representam um avanço crucial para uma maior compreensão dos mecanismos de crescimento dos buracos negros supermassivos.
Esses resultados de observação foram publicados em Ciência em 2 de novembro de 2023.
‘Buracos negros supermassivos’, com massas superiores a um milhão de vezes a do Sol, existem nos centros de muitas galáxias. Mas os astrónomos há muito que ponderam sobre os mecanismos responsáveis pela sua formação. Um mecanismo proposto, conforme descrito em pesquisas anteriores, sugere que o gás se acumula no buraco negro à medida que ele gravita em direção ao centro da galáxia hospedeira.
À medida que o gás se aproxima dos buracos negros supermassivos, a intensa atração gravitacional do buraco negro faz com que o gás acelere. O aumento resultante no atrito entre as partículas de gás leva ao aquecimento do gás a temperaturas de até vários milhões de graus e resulta na emissão de luz brilhante. Conhecido como núcleo galáctico ativo (AGN), o brilho pode às vezes ultrapassar a luz combinada de todas as estrelas da galáxia. Curiosamente, pensa-se que uma parte do gás que cai em direção ao buraco negro (fluxo de acreção) é expelida pela imensa energia deste núcleo galáctico ativo, levando a fluxos.
Estudos teóricos e observacionais anteriores forneceram informações detalhadas sobre os mecanismos de acreção de gás desde a escala de 100.000 anos-luz até uma escala de algumas centenas de anos-luz no centro. No entanto, a acreção de gás ocorre a algumas dezenas de anos-luz do centro galáctico. Esta escala espacial limitada dificultou uma maior compreensão do processo de acreção. Por exemplo, para compreender quantitativamente o crescimento dos buracos negros, é necessário medir a taxa de fluxo de acreção (quanto gás está fluindo) e determinar as quantidades e tipos de gases (plasma, gás atômico, gás molecular) que são expelidos. como saídas nessa pequena escala. Infelizmente, a compreensão observacional não progrediu significativamente até agora.
“As observações de gases multifásicos podem fornecer uma compreensão mais abrangente e completa da distribuição e dinâmica da matéria em torno de um buraco negro e a nossa observação marca a mais alta resolução alguma vez alcançada para observações de gases multifásicos num núcleo galáctico activo,” aponta Izumi.
Izumi e os seus colegas capturaram inicialmente, pela primeira vez, o fluxo de acreção que se dirige para o buraco negro supermassivo dentro do disco de gás de alta densidade que se estende por vários anos-luz do centro galáctico. A identificação deste fluxo de acreção sempre foi um desafio devido à pequena escala da região e aos movimentos complexos do gás perto do centro galáctico. No entanto, a equipa de investigação identificou o local onde o gás molecular em primeiro plano estava a absorver a luz do núcleo galáctico activo que brilhava intensamente no fundo. Uma análise detalhada revelou que este material absorvente está se afastando da Terra. Como o material absorvente reside consistentemente entre o núcleo galáctico ativo e a Terra, isto indica que a equipa capturou com sucesso o fluxo de acreção em direção ao núcleo galáctico ativo.
O estudo também elucidou o mecanismo físico responsável por induzir esse acúmulo de gás. O disco de gás observado exibia uma força gravitacional tão substancial que não podia ser sustentada pela pressão calculada a partir do movimento do disco de gás. Quando esta situação ocorre, o disco de gás entra em colapso sob o seu próprio peso, formando estruturas complexas e perdendo a capacidade de manter um movimento estável no centro galáctico. Consequentemente, o gás cai rapidamente em direção ao buraco negro central, um fenômeno conhecido como “instabilidade gravitacional” no coração da galáxia.
Além disso, o estudo avançou na compreensão quantitativa dos fluxos de gás em torno do núcleo galáctico ativo. Ao considerar a densidade do gás observado e a velocidade do fluxo de acreção, os investigadores conseguiram calcular a taxa a que o gás é fornecido ao buraco negro. Surpreendentemente, descobriu-se que esta taxa é 30 vezes maior do que a necessária para sustentar o núcleo galáctico ativo. Por outras palavras, a maior parte do fluxo de acreção na escala de 1 ano-luz em torno do centro galáctico não contribuiu para o crescimento do buraco negro.
Então, para onde foi esse gás excedente? Observações de alta sensibilidade de todos os gases de fase com o ALMA detectaram fluxos de saída do núcleo galáctico ativo. A análise quantitativa revelou que a maior parte do gás que flui em direção ao buraco negro foi expelido como fluxos atômicos ou moleculares. No entanto, devido às suas velocidades lentas, não conseguiram escapar à atração gravitacional do buraco negro e eventualmente regressaram ao disco de gás. Lá, eles foram reciclados em um fluxo de acreção em direção ao buraco negro, completando um fascinante processo de reciclagem de gás no centro galáctico.
Refletindo sobre as conquistas, Takuma Izumi reitera: “Detectar fluxos e saídas de acreção em uma região a apenas alguns anos-luz ao redor do buraco negro supermassivo em crescimento ativo, particularmente em um gás multifásico, e até mesmo decifrar o próprio mecanismo de acreção, são conquistas monumentais no busca para revelar mais sobre buracos negros supermassivos.” Olhando para o futuro, ele continua: “Para obter uma compreensão abrangente do crescimento de buracos negros supermassivos na história cósmica, é essencial investigar vários tipos de buracos negros supermassivos que estão localizados mais longe de nós. e observações de alta sensibilidade, e temos grandes expectativas para o uso contínuo do ALMA, bem como para os próximos grandes interferômetros de rádio na próxima geração.”
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