Astrônomos usaram o Observatório Chandra de Raios X para mostrar que múltiplas erupções de um buraco negro supermassivo durante 50 milhões de anos rearranjaram a paisagem cósmica no centro de um grupo de galáxias.
Cientistas descobriram essa história de erupções de buracos negros ao estudarem NGC 5813, um grupo de galáxias distante da Terra cerca de 105 milhões de anos. Essas observações do Chandra são as mais longas já obtidas de um grupo de galáxias, durando pouco mais de uma semana. Os dados do Chandra são mostrados nesta nova imagem composta, onde os raios X do Chandra (roxo) foram combinados com dados em frequência de luz visível (vermelho, verde e azul).
Grupos galácticos são como seus primos maiores, os aglomerados galácticos, porém, em vez de conterem centenas, ou até milhares de galáxias como os aglomerados, grupos galácticos são tipicamente compostos de 50 galáxias, ou menos. Assim como os aglomerados galácticos, os grupos galácticos são envoltos em gigantescas quantidades de gás quente que emite raios X.
O buraco negro supermassivo em erupção está localizado na galáxia central de NGC 5813. O giro do buraco negro, combinado com o gás espiralante próximo a ele, pode produzir uma torre vertical de campo magnético giratória, fortemente enrolada, que atira uma grande parcela do gás que flui em direção ao interior para as vizinhanças do buraco negro em um jato energático de alta velocidade.
Os pesquisadores puderam determinar a extensão das erupções do buraco negro através do estudo das cavidades, ou bolhas gigantescas, no gás à temperatura de milhares de graus em NGC 5813. Essas cavidades são escavadas quando jatos do buraco negro supermassivo gera ondas de choque que impulsionam o gás para fora e criam enormes buracos.
As mais recentes observações do Chandra revelam um terceiro par de cavidades além dos dois anteriormente encontrados em NGC 5813, representando três erupções distintas do buraco negro central. Esta é a maior quantidade de pares de cavidades já descoberta em um grupo ou aglomerado galáctico. Da mesma forma como uma bolha de ar de baixa sobre para a superfície da água, as gigantescas cavidades em NGC 5813 boiam em se afastam do buraco negro.
Para entender melhor a história de erupções de buracos negros, os pesquisadores estudaram os detalhes de três pares de cavidades. Eles descobriram que a quantidade de energia necessária para criar o par de cavidades mais próximo do buraco negro é menor do que a energia que produziu os dois pares mais antigos. Entretanto o ritmo de produção de energia, ou força, é mais ou menos o mesmo para todos os três pares. Isso indica que a erupção associada com o par de cavidades interno ainda está em curso.
Cada um dos três pares de cavidades está associado a uma frente de choque, visíveis como pontas nítidas na imagem de raio X. Essas frentes de choque, parecidas com estrondos sônicos de aviões supersônicos, aquecem o gás, impedindo que a maior parte dele se refrie e forme grandes quantidades de novas estrelas.
O estudo cuidadoso das frentes de choque revela que elas são, na verdade, levemente aumentadas ou borradas, em vez de serem muito nítidas. Isso pode ser causado por turbulência no gás quente. Presumindo que seja o caso, os autores encontraram uma velocidade turbulenta – isto é, a velocidade média de movementos aleatórios do gás − de cerca de 258.000 quilômetros por hora. Isso condiz com as previsões de modelos teóricos e estimativas baseadas em observações por raiox X do gás quente em outros grupos e aglomerados.
Tradução de Luiz Leitão
Astronomers have used NASA’s Chandra X-ray Observatory to show that, multiple eruptions from a supermassive black hole over 50 million years have rearranged the cosmic landscape at the center of a group of galaxies.
Scientists discovered this history of black hole eruptions by studying NGC 5813, a group of galaxies about 105 million light years from Earth. These Chandra observations are the longest ever obtained of a galaxy group, lasting for just over a week. The Chandra data are shown in this new composite image where the X-rays from Chandra (purple) have been combined with visible light data (red, green and blue).
Galaxy groups are like their larger cousins, galaxy clusters, but instead of containing hundreds or even thousands of galaxies like clusters do, galaxy groups are typically comprised of 50 or fewer galaxies. Like galaxy clusters, groups of galaxies are enveloped by giant amounts of hot gas that emit X-rays.
The erupting supermassive black hole is located in the central galaxy of NGC 5813. The black hole’s spin, coupled with gas spiraling toward the black hole, can produce a rotating, tightly wound vertical tower of magnetic field that flings a large fraction of the inflowing gas away from the vicinity of the black hole in an energetic, high-speed jet.
The researchers were able to determine the length of the black hole’s eruptions by studying cavities, or giant bubbles, in the multi-million degree gas in NGC 5813. These cavities are carved out when jets from the supermassive black hole generate shock waves that push the gas outward and create huge holes.
The latest Chandra observations reveal a third pair of cavities in addition to two that were previously found in NGC 5813, representing three distinct eruptions from the central black hole. (Mouse over the image for annotations of the cavities.) This is the highest number of pairs of cavities ever discovered in either a group or a cluster of galaxies. Similar to how a low-density bubble of air will rise to the surface in water, the giant cavities in NGC 5813 become buoyant and move away from the black hole.
To understand more about the black hole’s history of eruptions, the researchers studied the details of the three pairs of cavities. They found that the amount of energy required to create the pair of cavities closest to the black hole is lower than the energy that produced the older two pairs. However, the rate of energy production, or power, is about the same for all three pairs. This indicates that the eruption associated with the inner pair of cavities is still occurring.
Each of the three pairs of cavities is associated with a shock front, visible as sharp edges in the X-ray image. These shock fronts, akin to sonic booms for a supersonic plane, heat the gas, preventing most of it from cooling and forming large numbers of new stars.
Close study of the shock fronts reveals that they are actually slightly broadened, or blurred, rather than being very sharp. This may be caused by turbulence in the hot gas. Assuming this is the case, the authors found a turbulent velocity – that is, the average speed of random motions of the gas − of about 160,000 miles per hour (258,000 kilometers per hour). This is consistent with the predictions of theoretical models and estimates based on X-ray observations of the hot gas in other groups and clusters.
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