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Observações recentes de pesquisadores de um buraco negro de massa estelar chamado Cygnus X-1 revelam novos detalhes sobre a configuração de matéria extremamente quente na região imediatamente ao redor do buraco negro.
A matéria é aquecida a milhões de graus à medida que é puxada em direção a um buraco negro. Esta matéria quente brilha em raios-X. Os pesquisadores estão usando medições da polarização desses raios-X para testar e refinar modelos que descrevem como os buracos negros engolem a matéria, tornando-se algumas das fontes de luz mais luminosas – incluindo raios-X – no universo.
As novas medidas do Cygnus X-1, publicadas online pela revista Ciência na quinta-feira, 3 de novembro, representam as primeiras observações de um buraco negro de acumulação de massa da missão Imaging X-Ray Polarimetry Explorer (IXPE), uma colaboração internacional entre a NASA e a Agência Espacial Italiana (ASI). Cygnus X-1 é uma das fontes de raios-X mais brilhantes da nossa galáxia, consistindo de um buraco negro de 21 massas solares em órbita com uma estrela companheira de 41 massas solares.
“Observações anteriores de raios-X de buracos negros mediram apenas a direção de chegada, o tempo de chegada e a energia dos raios-X do plasma quente em espiral em direção aos buracos negros”, disse o principal autor Henric Krawczynski, o Wayman Crow Professor of Physics in Arts & Sciences. na Universidade de Washington em St. Louis e membro do corpo docente do Centro McDonnell para Ciências Espaciais da universidade. “O IXPE também mede sua polarização linear, que carrega informações sobre como os raios-X foram emitidos – e se e onde eles espalham material próximo ao buraco negro”.
Nenhuma luz, nem mesmo a luz dos raios X, pode escapar de dentro do horizonte de eventos de um buraco negro. Os raios-X detectados com IXPE são emitidos pela matéria quente, ou plasma, em uma região de 2.000 km de diâmetro ao redor do horizonte de eventos de 60 km de diâmetro do buraco negro.
A combinação dos dados do IXPE com observações simultâneas dos observatórios de raios-X NICER e NuSTAR da NASA em maio e junho de 2022 permitiu que os autores restringissem a geometria – ou seja, forma e localização – do plasma.
Os pesquisadores descobriram que o plasma se estende perpendicularmente a uma saída de plasma de dois lados em forma de lápis, ou jato, fotografada em observações de rádio anteriores. O alinhamento da direção da polarização de raios-X e do jato dá forte suporte à hipótese de que os processos na região brilhante de raios-X perto do buraco negro desempenham um papel crucial no lançamento do jato.
As observações coincidem com os modelos que preveem que a coroa do plasma quente ensanduicha o disco de matéria em espiral em direção ao buraco negro ou substitui a porção interna desse disco. Os novos dados de polarização excluem modelos em que a coroa do buraco negro é uma coluna ou cone de plasma estreito ao longo do eixo do jato.
Os cientistas observaram que uma melhor compreensão da geometria do plasma em torno de um buraco negro pode revelar muito sobre o funcionamento interno dos buracos negros e como eles acumulam massa.
“Esses novos insights permitirão estudos aprimorados de raios-X de como a gravidade curva o espaço e o tempo perto dos buracos negros”, disse Krawczynski.
Relacionado especificamente ao buraco negro Cygnus X-1, “as observações do IXPE revelam que o fluxo de acreção é visto mais de lado do que se pensava anteriormente”, explicou o coautor Michal Dovčiak no Instituto Astronômico da Academia Tcheca de Ciências.
“Esta pode ser uma assinatura de um desalinhamento do plano equatorial do buraco negro e do plano orbital do binário”, ou a dupla do buraco negro e sua estrela companheira, esclareceu a coautora Alexandra Veledina, da Universidade de Turku. . “O sistema pode ter adquirido esse desalinhamento quando a estrela progenitora do buraco negro explodiu.”
“A missão IXPE usa espelhos de raios X fabricados no Marshall Space Flight Center da NASA e instrumentação de plano focal fornecida por uma colaboração da ASI, do Instituto Nacional de Astrofísica (INAF) e do Instituto Nacional de Física Nuclear”, disse o coautor Fabio Muleri. do INAF-IAPS. “Além de Cygnus X-1, o IXPE está sendo usado para estudar uma ampla gama de fontes extremas de raios-X, incluindo estrelas de nêutrons de acreção de massa, pulsares e nebulosas de vento de pulsar, remanescentes de supernovas, nosso centro galáctico e núcleos galácticos ativos. muitas surpresas e estamos nos divertindo muito.”
Um segundo artigo na mesma edição da Science foi liderado por Roberto Taverna na Universidade de Pádua e descreve a detecção IXPE de raios-X altamente polarizados do magnetar 4U 0142+61.
“Estamos entusiasmados por fazer parte desta nova onda de descobertas científicas em astrofísica”, disse Krawczynski.
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