Velocidade de rotação dos buracos negros

Dois observatórios espaciais de raios X, o Conjunto Telescópios Espectroscópicos Nucleares  (NuSTAR) da NASA e o  XMM-Newton, da Agência Espacial Europeia se uniram para medir definitivamente, pela primeira vez, a velocidade de rotação de um buraco negro.

O buraco negro supermassivo está localizado no coração recheado de gás e poeira de uma galáxia denominada NGC 1365, e gira a uma velocidade que muito próxima do limite permitido pela teoria da gravidade de Einstein.

As descobertas, que constam de um novo estudo publicado na revista Nature, põem fim a uma antiga  questão envolvendo medições similares em outros buracos negros, e levarão a uma melhor compreensão da evolução desses objetos e das galáxias.

As observações representam também um grande teste para a teoria geral da relatividade de Einstein, a qual diz que a gravidade pode deformar o espaço-tempo — o tecido que dá forma ao universo— e a luz que viaja através dele.

"Podemos rastrear a matéria  girando para dentro de buracos negros através de raios X emitidos de regiões muito próximas a eles," disse o coautor de um novo estudo,a pesquisadora principal da NuSTAR  Fiona Harrison, do Instituto de Tecnologia da Califórnia em Pasadena. "A radiação que vemos é deformada e distorcida pelo movimento de  partículas e pela fortíssima gravidade do buraco negro."

A NuSTAR, uma missão da classe Exploratória lançada em junho de 2012, foi planejada para detectar a luz de raios X de alta energia com vários detalhes. Ela complementa os telescópios que observam luz de raios X de energia mais baixa, como o XMM-Newton e o Observatório Chandra de Raios X da NASA. Cientistas utilizam estes e outros telescópios para estimar a velocidade de rotação dos buracos negros.

Até agora, essas medições não eram suficientemente precisas porque os buracos negros podiam ser obscurecidos por nuvens de gás, o que confundia os resultados. Com ajuda do XMM-Newton, a NuSTAR pôde observar uma  faixa maior de energias de raios X e penetrar mais fundo nas regiões ao redor dos buracos negros. Os novos dados demonstram que os raios X não estão sendo deformados pelas nuvens, mas, sim, pela tremenda  gravidade dos buracos negros. Isso prova que a velocidade de rotação dos buracos negros supermassivos pode ser determinada com certeza.

"Esses monstros, com massas entre milhões e bilhões de vezes maiores que a do Sol, são formados como pequenas sementes no universo primordial, e crescem engolindo estrelas e gás das galáxias que os abrigam, fundindo-se com outros buracos negros gigantes durante colisões entre galáxias, ou ambos," disse o principal autor do estudo, Guido Risaliti do Centro Harvard-Smithsoniano de Astrofísica em Cambridge, Massachussets, EUA, e do Instituto Nacional Italiano de Astrofísica.

Buracos negros supermassivos são circundados por discos de acreção em formato de panqueca, formados quando sua gravidade puxa matéria para seu interior. A teoria de Einstein prevê que quanto mais rápido um buraco negro girar, mais próximo a ele estará o disco de acreção. Quanto mais próximo estiver o disco de acreção, mais a gravidade do buraco negro irá deformar a luz dos raios X emitida pelo disco.

Astrônomos procuram por esses efeitos de deformação através da análise da luz em frequência de raios X emitida pelo ferro que circula no disco de acreção. No novo estudo, eles utilizaram o XMM-Newton e o NuSTAR para observar simultaneamente o buraco negro em NGC 1365. Enquanto o XMM-Newton revelou que a luz emitida pelo ferro estava sendo deformada, o NuSTAR provou que essa distorção era originada pela gravidade do buraco negro, e não pelas nuvens de gás próximas. Os dados de raios X de mais alta energia da NuSTAR mostraram que o ferro estava tão próximo ao buraco negro que sua gravidade devia ser a causa do efeito de deformação.

Com a possibilidade das nuvens obscurescentes descartada, os cientistas podem agora usar as distorções na assinatura espectral do ferro para medir a velocidade de rotação do buraco negro. Essas descobertas se aplicam também a vários outros buracos negros, eliminando a incerteza  que havia nas velocidades de rotação anteriormente medidas.




Two X-ray space observatories, NASA's Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) and the European Space Agency's XMM-Newton, have teamed up to measure definitively, for the first time, the spin rate of a black hole.

The supermassive black hole lies at the dust- and gas-filled heart of a galaxy called NGC 1365, and it is spinning almost as fast as Einstein's theory of gravity will allow.

The findings, which appear in a new study in the journal Nature, resolve a long-standing debate about similar measurements in other black holes and will lead to a better understanding of how black holes and galaxies evolve.

The observations also are a powerful test of Einstein's theory of general relativity, which says gravity can bend space-time, the fabric that shapes our universe, and the light that travels through it.

"We can trace matter as it swirls into a black hole using X-rays emitted from regions very close to the black hole," said the coauthor of a new study, NuSTAR principal investigator Fiona Harrison of the California Institute of Technology in Pasadena. "The radiation we see is warped and distorted by the motions of particles and the black hole's incredibly strong gravity."

NuSTAR, an Explorer-class mission launched in June 2012, is designed to detect the highest-energy X-ray light in great detail. It complements telescopes that observe lower-energy X-ray light, such as XMM-Newton and NASA's Chandra X-ray Observatory. Scientists use these and other telescopes to estimate the rates at which black holes spin.

Until now, these measurements were not certain because clouds of gas could have been obscuring the black holes and confusing the results. With help from XMM-Newton, NuSTAR was able to see a broader range of X-ray energies and penetrate deeper into the region around the black hole. The new data demonstrate that X-rays are not being warped by the clouds, but by the tremendous gravity of the black hole. This proves that spin rates of supermassive black holes can be determined conclusively.

"These monsters, with masses from millions to billions of times that of the sun, are formed as small seeds in the early universe and grow by swallowing stars and gas in their host galaxies, merging with other giant black holes when galaxies collide, or both," said the study's lead author, Guido Risaliti of the Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Cambridge, Mass., and the Italian National Institute for Astrophysics.

Supermassive black holes are surrounded by pancake-like accretion disks, formed as their gravity pulls matter inward. Einstein's theory predicts the faster a black hole spins, the closer the accretion disk lies to the black hole. The closer the accretion disk is, the more gravity from the black hole will warp X-ray light streaming off the disk.

Astronomers look for these warping effects by analyzing X-ray light emitted by iron circulating in the accretion disk. In the new study, they used both XMM-Newton and NuSTAR to simultaneously observe the black hole in NGC 1365. While XMM-Newton revealed that light from the iron was being warped, NuSTAR proved that this distortion was coming from the gravity of the black hole and not gas clouds in the vicinity. NuSTAR's higher-energy X-ray data showed that the iron was so close to the black hole that its gravity must be causing the warping effects.

With the possibility of obscuring clouds ruled out, scientists can now use the distortions in the iron signature to measure the black hole's spin rate. The findings apply to several other black holes as well, removing the uncertainty in the previously measured spin rates.