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Vista da Terra, a gigantesca galáxia elíptica M87 é apenas uma bolha bidimensional, embora pareça perfeitamente simétrica e, portanto, um alvo preferido de astrônomos amadores.
No entanto, uma nova análise altamente detalhada do movimento das estrelas em torno de seu buraco negro supermassivo central – o primeiro buraco negro a ser fotografado pelo Event Horizon Telescope (EHT) em 2019 – revela que não é tão perfeito quanto parece.
Na verdade, o M87 é altamente assimétrico, como uma batata ruiva. O eixo mais curto da galáxia tem cerca de três quartos (72,2%) do comprimento de seu eixo maior, enquanto o eixo intermediário tem cerca de sete oitavos (84,5%) do eixo maior.
Sabendo disso, os astrônomos da Universidade da Califórnia, em Berkeley, foram capazes de determinar a massa do buraco negro supermassivo no núcleo da galáxia com alta precisão, estimando-a em 5,37 bilhões de vezes a massa do sol. Em comparação, nossa própria Via Láctea tem em seu centro um enorme buraco negro com apenas 4 milhões de vezes a massa do sol.
Eles também foram capazes de medir a rotação da galáxia, que é relativamente calma de 25 quilômetros por segundo. Curiosamente, não está girando em torno de nenhum dos eixos principais da galáxia, mas sim em torno de um eixo que está a 40 graus de distância do longo eixo de sua imagem 2D, conforme observado pelo Telescópio Espacial Hubble.
A reconstrução estéreo da galáxia M87 e a figura mais precisa para a massa do buraco negro central podem ajudar os astrofísicos a aprender sobre uma característica do buraco negro que eles não tiveram como determinar antes para qualquer buraco negro: sua rotação.
“Agora que sabemos a direção da rotação líquida das estrelas em M87 e temos uma massa atualizada do buraco negro, podemos combinar essa informação com os dados surpreendentes da equipe do EHT para restringir a rotação”, disse Chung-Pei Ma, um professor de astronomia e física da UC Berkeley que liderou a pesquisa. “Isso pode apontar para uma certa direção e alcance de rotação para o buraco negro, o que seria notável. Estamos trabalhando nisso.”
Análises adicionais para determinar a verdadeira forma de galáxias elípticas gigantes – as galáxias com os maiores buracos negros em seus núcleos – ajudarão os astrônomos a entender melhor como grandes galáxias e grandes buracos negros se formam e podem ajudar os astrônomos a interpretar melhor os sinais de ondas gravitacionais. Ma lidera um estudo de longo prazo de buracos negros supermassivos que é apelidado de MASSIVE.
Os resultados foram publicados online em 15 de março em As cartas do jornal astrofísico (Cartas ApJ).
Determinando a forma 3D de uma galáxia
Enquanto as galáxias espirais tendem a ser pequenas, giram rapidamente e têm uma forma de panqueca bem reconhecida, as galáxias elípticas gigantes giram lentamente e têm uma aparência de bolha, sua forma 3D difícil de discernir. Como a M87, a maior galáxia no maciço aglomerado de galáxias de Virgem, as galáxias elípticas gigantes cresceram a partir da fusão de muitas outras galáxias. Essa é provavelmente a razão pela qual o buraco negro central de M87 é tão grande – ele assimilou os buracos negros centrais de todas as galáxias que engoliu. Ao todo, a galáxia contém cerca de 100 bilhões de estrelas, 10 vezes maior que a Via Láctea.
Ma, a estudante de pós-graduação da UC Berkeley e principal autora Emily Liepold e Jonelle Walsh da Texas A&M University em College Station foram capazes de determinar a forma 3D de M87 graças a um instrumento de precisão relativamente novo montado no Telescópio Keck II, um dos 10 gêmeos Telescópios Keck de dois metros no topo de Mauna Kea, um vulcão no Havaí. Chamado de Keck Cosmic Web Imager (KCWI), o espectrômetro de campo integral permitiu que Ma e sua equipe medissem os espectros das estrelas no centro da galáxia.
Eles apontaram o telescópio para 62 locais adjacentes na galáxia, cobrindo completamente uma região de cerca de 70.000 anos-luz de diâmetro, e registraram os espectros das estrelas dentro dessa região. As observações abrangem a região central – cerca de 3.000 anos-luz de diâmetro – onde a gravidade é amplamente dominada pelo buraco negro supermassivo, bem como a parte externa dominada pela matéria escura. Embora o telescópio não consiga identificar estrelas individuais – M87 fica a cerca de 53 milhões de anos-luz da Terra – o espectro pode revelar a gama de velocidades dentro de cada pixel de cada imagem, informação suficiente para calcular a massa gravitacional que eles estão orbitando.
“É como olhar para um enxame de 100 bilhões de abelhas que estão girando em suas próprias órbitas felizes”, disse Ma, a professora Judy Chandler Webb de Ciências Físicas. “Embora estejamos olhando para eles à distância e não possamos discernir abelhas individuais, estamos obtendo informações muito detalhadas sobre suas velocidades coletivas. É realmente a excelente sensibilidade deste espectrógrafo que nos permitiu mapear M87 de forma tão abrangente.”
Esta é a primeira vez que o KCWI foi usado para reconstruir a geometria de uma galáxia distante, e M87 é uma das poucas galáxias elípticas gigantes cuja estrutura 3D foi determinada. A equipe de Ma já havia determinado a estrutura 3D de duas outras galáxias elípticas gigantes, NGC 1453 e NGC 2693, ambas abrigando buracos negros menores que M87.
Os pesquisadores pegaram os dados obtidos durante quatro noites de observações de Keck entre 2020 e 2022, juntamente com dados fotométricos anteriores para M87 do Telescópio Espacial Hubble da NASA, e os compararam com previsões de modelos de computador de como as estrelas se movem ao redor do centro de uma galáxia triaxial. O melhor ajuste aos dados – proporções axiais de 1 para 0,84 a 0,72 – permitiu que eles calculassem a massa do buraco negro.
“Os dados do Keck são tão bons que podemos medir a forma intrínseca de M87 junto com o buraco negro ao mesmo tempo”, disse Ma. “Fizemos a primeira medição da forma 3D real da galáxia. E como permitimos que o enxame de abelhas tivesse uma forma mais geral do que apenas uma esfera ou disco, temos uma medição dinâmica mais robusta da massa do centro negro. buraco que governa as velocidades orbitais das abelhas.”
Os autores dedicaram seu manuscrito ao falecido astrônomo Wallace “Wal” Sargent, que primeiro sugeriu que um buraco negro supermassivo espreitava no centro de M87 e calculou sua massa em cerca de 5 bilhões de massas solares.
“Seu número é um truque com nossas barras de erro, o que é muito interessante de se ver depois de décadas de trabalho”, disse Ma, que credita Sargent como mentora quando ela era pós-doutoranda no Instituto de Tecnologia da Califórnia.
A estimativa anterior da massa do buraco negro supermassivo em M87, publicada em 2011, foi baseada em uma análise semelhante do movimento dinâmico das estrelas ao redor do buraco negro, embora esse estudo assumisse que a galáxia era axissimétrica. O número, 6,14 bilhões de massas solares, está dentro das barras de erro da nova estimativa mais precisa. Ao visualizar o buraco negro há quatro anos, os cientistas do EHT estimaram que a massa do buraco negro era de 6,5 bilhões de massas solares, 21% maior que o novo número.
Curiosamente, a matéria escura dentro do volume da galáxia que eles analisaram é muito maior do que a do buraco negro – cerca de 388 bilhões de massas solares, ou 67% de toda a massa de M87. Embora a identidade da matéria escura ainda seja um mistério, ela representa cerca de 85% da massa do universo.
Jonelle Walsh trabalha no Instituto George P. e Cynthia Woods Mitchell para Física Fundamental e Astronomia no Texas A&M. O trabalho foi financiado pela National Science Foundation (AST-1817100, AST-2206307), pela Heising-Simons Foundation e pelo Miller Institute for Basic Research in Science.
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