Astrônomos observam flashes de raios X de um buraco negro supermassivo próximo que aceleram misteriosamente
Um buraco negro supermassivo tem mantido os astrônomos grudados em seus telescópios pelos últimos anos. Primeiro veio um desaparecimento surpresa, e agora, um ato de rotação precária.
Nesta representação artística, um fluxo de matéria segue uma anã branca orbitando dentro do disco de acreção mais interno que circunda o buraco negro supermassivo de 1ES 1927.
Crédito: Aurore Simonnet/Sonoma State University
Um buraco negro supermassivo tem mantido os astrônomos grudados em seus telescópios pelos últimos anos. Primeiro veio um desaparecimento surpresa, e agora, um ato de rotação precária.
O buraco negro em questão é 1ES 1927+654, que tem aproximadamente a massa de um milhão de sóis e fica em uma galáxia que está a 100 milhões de anos-luz de distância.
Em 2018, astrônomos do MIT e de outros lugares observaram que a corona do buraco negro — uma nuvem de plasma branco e quente e rodopiante — desapareceu de repente, antes de se reunir novamente meses depois. O breve, porém dramático, desligamento foi o primeiro na astronomia de buracos negros.
Membros da equipe do MIT agora capturaram o mesmo buraco negro exibindo um comportamento sem precedentes.
Os astrônomos detectaram flashes de raios X vindos do buraco negro em um ritmo cada vez maior. Ao longo de um período de dois anos, os flashes, em oscilações de milihertz, aumentaram em frequência de cada 18 minutos para cada sete minutos. Essa aceleração dramática em raios X não foi vista de um buraco negro até agora.
Os pesquisadores exploraram uma série de cenários para o que poderia explicar os flashes. Eles acreditam que o culpado mais provável é uma anã branca giratória — um núcleo extremamente compacto de uma estrela morta que está orbitando ao redor do buraco negro e se aproximando precariamente de seu horizonte de eventos, o limite além do qual nada pode escapar da atração gravitacional do buraco negro.
Se esse for o caso, a anã branca deve estar realizando um ato de equilíbrio impressionante, já que pode estar chegando bem perto da borda do buraco negro sem realmente cair.
"Isso seria a coisa mais próxima que conhecemos de qualquer buraco negro", diz Megan Masterson, uma estudante de pós-graduação em física no MIT, que coliderou a descoberta. "Isso nos diz que objetos como anãs brancas podem ser capazes de viver muito perto de um horizonte de eventos por um período de tempo relativamente longo."
Os pesquisadores apresentam suas descobertas na 245ª reunião da American Astronomical Society em National Harbor, Maryland, e publicarão os resultados em um artigo na Nature. As descobertas também são publicadas no servidor de pré-impressão arXiv .
Se uma anã branca estiver na origem do misterioso clarão do buraco negro, ela também emitiria ondas gravitacionais , em um alcance que seria detectável por observatórios de última geração, como a Antena Espacial de Interferômetro Laser (LISA) da NASA.
"Esses novos detectores são projetados para detectar oscilações na escala de minutos, então esse sistema de buraco negro está nesse ponto ideal", diz a coautora Erin Kara, professora associada de física no MIT.
Os outros coautores do estudo incluem os membros do MIT Kavli, Christos Panagiotou, Joheen Chakraborty, Kevin Burdge, Riccardo Arcodia, Ronald Remillard e Jingyi Wang, além de colaboradores de várias outras instituições.
Nada normal
Kara e Masterson fizeram parte da equipe que observou 1ES 1927+654 em 2018, quando a corona do buraco negro escureceu e depois se reconstruiu lentamente ao longo do tempo. Por um tempo, a corona recém-reformada — uma nuvem de plasma altamente energético e raios X — foi o objeto emissor de raios X mais brilhante no céu.
"Ele ainda estava extremamente brilhante, embora não estivesse fazendo nada de novo por alguns anos e estivesse meio borbulhando. Mas sentimos que tínhamos que continuar monitorando porque era muito bonito", diz Kara. "Então notamos algo que nunca tinha sido visto antes."
Em 2022, a equipe analisou observações do buraco negro feitas pelo XMM-Newton da Agência Espacial Europeia, um observatório espacial que detecta e mede emissões de raios X de buracos negros, estrelas de nêutrons, aglomerados galácticos e outras fontes cósmicas extremas. Eles notaram que os raios X do buraco negro pareciam pulsar com frequência crescente.
Essas "oscilações quase periódicas" só foram observadas em alguns outros buracos negros supermassivos, onde flashes de raios X aparecem com frequência regular.
No caso de 1ES 1927+654, a oscilação pareceu aumentar constantemente, de 18 minutos para sete minutos ao longo de dois anos.
"Nós nunca vimos essa variabilidade dramática na taxa em que ele está piscando", diz Masterson. "Isso não se parecia em nada com um buraco negro normal."
O fato de que o flashing foi detectado na banda de raios X aponta para a forte possibilidade de que a fonte esteja em algum lugar muito próximo do buraco negro. As regiões mais internas de um buraco negro são ambientes de energia extremamente alta, onde os raios X são produzidos por plasma quente e em movimento rápido.
Os raios X têm menos probabilidade de serem vistos em distâncias maiores, onde o gás pode circular mais lentamente em um disco de acreção. O ambiente mais frio do disco pode emitir luz óptica e ultravioleta, mas raramente emite raios X.
"Ver algo nos raios X já está lhe dizendo que você está bem perto do buraco negro", diz Kara. "Quando você vê variabilidade na escala de tempo de minutos, isso está perto do horizonte de eventos, e a primeira coisa que sua mente pensa é em movimento circular, e se algo poderia estar orbitando ao redor do buraco negro."
Raio X chutando para cima
O que quer que estivesse produzindo os raios X estava fazendo isso a uma distância extremamente próxima do buraco negro, que os pesquisadores estimam estar a alguns milhões de quilômetros do horizonte de eventos.
Masterson e Kara exploraram modelos para vários fenômenos astrofísicos que poderiam explicar os padrões de raios X que eles observaram, incluindo uma possibilidade relacionada à coroa do buraco negro.
"Uma ideia é que essa corona está oscilando, talvez indo e voltando, e se ela começar a encolher, essas oscilações ficam mais rápidas conforme as escamas ficam menores", diz Masterson. "Mas estamos nos estágios iniciais de compreensão das oscilações coronais."
Um cenário mais provável, e que os cientistas têm uma melhor compreensão em termos da física envolvida, tem a ver com uma anã branca ousada.
"Essas coisas são realmente pequenas e bastante compactas, e levantamos a hipótese de que seja uma anã branca que está se aproximando tanto do buraco negro", diz Masterson.
De acordo com sua modelagem, os pesquisadores estimam que a anã branca poderia ter cerca de um décimo da massa do sol. Em contraste, o buraco negro supermassivo em si tem cerca de 1 milhão de massas solares.
Quando qualquer objeto chega tão perto de um buraco negro supermassivo , espera-se que ondas gravitacionais sejam emitidas, arrastando o objeto para mais perto do buraco negro. À medida que circula mais perto, a anã branca se move a uma taxa mais rápida, o que pode explicar a frequência crescente de oscilações de raios X que a equipe observou.
A anã branca está praticamente no precipício do não retorno e estima-se que esteja a apenas alguns milhões de milhas do horizonte de eventos . No entanto, os pesquisadores preveem que a estrela não cairá.
Enquanto a gravidade do buraco negro pode puxar a anã branca para dentro, a estrela também está derramando parte de sua camada externa para dentro do buraco negro. Esse derramamento atua como um pequeno recuo, de modo que a anã branca — um objeto incrivelmente compacto em si — pode resistir a cruzar a fronteira do buraco negro.
"Como as anãs brancas são pequenas e compactas, elas são muito difíceis de serem destruídas, então elas podem estar muito próximas de um buraco negro", diz Kara. "Se esse cenário estiver correto, essa anã branca está bem no ponto de virada, e podemos vê-la se distanciar mais."
A equipe planeja continuar observando o sistema, com telescópios existentes e futuros, para entender melhor a física extrema em ação nos ambientes mais internos de um buraco negro. Eles estão particularmente animados para estudar o sistema quando o detector de ondas gravitacionais baseado no espaço LISA for lançado — atualmente planejado para meados da década de 2030 — já que as ondas gravitacionais que o sistema deve emitir estarão em um ponto ideal que o LISA pode detectar claramente.
"A única coisa que aprendi com essa fonte é nunca parar de olhar para ela porque ela provavelmente nos ensinará algo novo", diz Masterson. "O próximo passo é apenas manter os olhos abertos."
Mais informações: Megan Masterson et al, Oscilações de milihertz perto da órbita mais interna de um buraco negro supermassivo, arXiv (2025). DOI: 10.48550/arxiv.2501.01581
Informações do periódico: arXiv , Nature