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This artist's concept illustrates what the flaring black hole called GX 339-4 might look like. Infrared observations from NASA's Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE) reveal the best information yet on the chaotic and extreme environments of this black hole's jets. NASA.
Cientistas estudam os jatos para aprender mais dobre os acontecimentos extremos que se são em trono de buracos negros. Muito se aprendeu a respeito da matéria que alimenta esses objetos, chamados discos de acreção, e os jatos em si, por meio de raios-X, raios gama e ondas de rádio. Mas medições fundamentais das partes mais brilhantes dos jatos, localizados em suas bases, eram difíceis, não obstante décadas de empenho. O WISE propicia uma nova janela para este elo perdido através de observações em infravermelho.
Cientistas estudam os jatos para aprender mais dobre os acontecimentos extremos que se são em trono de buracos negros. Muito se aprendeu a respeito da matéria que alimenta esses objetos, chamados discos de acreção, e os jatos em si, por meio de raios-X, raios gama e ondas de rádio. Mas medições fundamentais das partes mais brilhantes dos jatos, localizados em suas bases, eram difíceis, não obstante décadas de empenho. O WISE propicia uma nova janela para este elo perdido através de observações em infravermelho.
"Imagine como seria se nosso Sol sofresse uma série de explosões súbitas e aleatórias, tornando-se três vezes mais brilhante, em questão de horas, e então voltando novamente ao seu brilho normal. Esse é o tipo de fúria que se observa nesse tipo de jato," disse Poshak Gandhi, cientista da Agência Japonesa de Exploração Espacial (JAXA). Ele é o principal autor de um novo estudo sobre os resultados, que aparece no Astrophysical Journal Letters. "Com a visão infravermelha do WISE foi possível dar um zoom sobre as regiões interiores, próximas à base do jato de buraco negro, com massa de estrela, pela primeira vez observar a física dos jatos em atividade."
O buraco negro, chamado GX 339-4, já havia sido observado. Ele está mais de 20.000 anos luz distante da Terra, nas proximidades do centro da nossa galáxia. Tem uma massa, pelo menos, seis vezes maior que a do Sol. Como outros buracos negros, é um concentrado de matéria ultra-denso, com uma força gravitacional tão grande que impede até a luz de escapar dele. Neste caso, o buraco negro é orbitado por uma estrela companheira que o alimenta. A maior parte da matéria da estrela companheira é atraída pelo buraco negro, mas parte dela é expelida para fora na forma de um jato a uma velocidade quase igual à da luz.
"Para ver a atividade brilhante que sai de um buraco negro, é preciso olhar para o lugar certo, na hora correta," disse Peter Eisenhardt, cientista do projeto da WISE no Laboratório de Propulsão a Jato da NASA em Pasadena, Califórnia. "O WISE tirou fotos sensíveis a cada 11 segundos, durante um ano, cobrindo todo o céu, e permitindo captar este raro evento."
Observar a variabilidade do jato foi possível graças a imagens obtidas do mesmo trecho do céu ao longo do tempo, uma característica do NEOWISE, a parte da missão WISE que rastreia asteróides. Dados da WISE permitiram à equipe fazer um zoom (aproximação visual, ampliação) da região muito compacta ao redor da base do jato que corre do buraco negro. O tamanho da região equivale ao de uma moedinha vista à distância, a partir do nosso Sol.
Os resultados surpreenderam a equipe, mostrando enormes e erráticas flutuações na atividade do jato, em escalas de tempo variando entre 11 segundos e algumas horas. As observações se parecem com uma dança de cores infravermlho e mostram que o tamanho da base do jato varia. seu raio é de aproximadamente 24.140 quilômetros, com impressioantes variações, tão amplas quanto um fator de 10 ou mais.
"Imaginando o jato do buraco negro como uma mangueira de incêndio, é como se houvéssemos descoberto que o fluxo é intermitente e que a mangueira em si varia enromemente de tamanho," disse Poshak.
Os novos dados também permitiram aos astrônomos fazer as mais acuradas medições até agora do campo magnético do buraco negro, que é 30.000 vezes mais poderoso do que o gerado pela Terra em sua superfície. Um campo tão forte assim é necessário para acelerar e conduzir o fluxo de matéria através de um jato estreito. Os dados do WISE estão levando os astrônomos mais perto do que nunca de compreender como esse exótico fenômeno funciona.
Astronomers using NASA's Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE) have captured rare data of a flaring black hole, revealing new details about these powerful objects and their blazing jets.
Scientists study jets to learn more about the extreme environments around black holes. Much has been learned about the material feeding black holes, called accretion disks, and the jets themselves, through studies using X-rays, gamma rays and radio waves. But key measurements of the brightest part of the jets, located at their bases, have been difficult despite decades of work. WISE is offering a new window into this missing link through its infrared observations.
"Imagine what it would be like if our sun were to undergo sudden, random bursts, becoming three times brighter in a matter of hours and then fading back again. That's the kind of fury we observed in this jet," said Poshak Gandhi, a scientist with the Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA). He is the lead author of a new study on the results appearing in the Astrophysical Journal Letters. "With WISE's infrared vision, we were able to zoom in on the inner regions near the base of the stellar-mass black hole's jet for the first time and observe the physics of jets in action."
The black hole, called GX 339-4, had been observed previously. It lies more than 20,000 light-years away from Earth near the center of our galaxy. It has a mass at least six times greater than the sun. Like other black holes, it is an ultra-dense collection of matter, with gravity that is so great even light cannot escape. In this case, the black hole is orbited by a companion star that feeds it. Most of the material from the companion star is pulled into the black hole, but some of it is blasted away as a jet flowing at nearly the speed of light.
"To see bright flaring activity from a black hole, you need to be looking at the right place at the right time," said Peter Eisenhardt, the project scientist for WISE at NASA's Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, Calif. "WISE snapped sensitive infrared pictures every 11 seconds for a year, covering the whole sky, allowing it to catch this rare event."
Observing the jet's variability was possible because of images taken of the same patch of sky over time, a feature of NEOWISE, the asteroid-hunting portion of the WISE mission. WISE data enabled the team to zoom in on the very compact region around the base of the jet streaming from the black hole. The size of the region is equivalent to the width of a dime seen at the distance of our sun.
The results surprised the team, showing huge and erratic fluctuations in the jet activity on timescales ranging from 11 seconds to a few hours. The observations are like a dance of infrared colors and show that the size of the jet's base varies. Its radius is approximately 15,000 miles (24,140 kilometers), with dramatic changes by as large as a factor of 10 or more.
"If you think of the black hole's jet as a firehose, then it's as if we've discovered the flow is intermittent and the hose itself is varying wildly in size," Poshak said.
The new data also allowed astronomers to make the best measurements yet of the black hole's magnetic field, which is 30,000 times more powerful than the one generated by Earth at its surface. Such a strong field is required for accelerating and channeling the flow of matter into a narrow jet. The WISE data are bringing astronomers closer than ever to understanding how this exotic phenomenon works.
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