Estudo mede em tempo real a potência dos jatos do buraco negro Cygnus X-1

Os buracos negros não se limitam a engolir matéria: também podem expelir jatos extremamente energéticos, capazes de moldar o espaço à sua volta.

Um novo estudo conseguiu, pela primeira vez com este grau de precisão, medir a potência desses jatos em tempo real - oferecendo um dos testes mais claros até hoje a uma ideia antiga sobre a forma como os buracos negros influenciam o Universo em grande escala.

A investigação foi liderada por cientistas da Universidade de Curtin, em colaboração com colegas da Universidade de Oxford.

Para isso, a equipa analisou o sistema Cygnus X-1, composto por um buraco negro e uma estrela supergigante muito massiva. Recorreu ainda a uma rede de radiotelescópios distribuídos pelo planeta, que permitiu registar o comportamento dos jatos do buraco negro com detalhe fora do comum.

Um marco cósmico

O Cygnus X-1 tem um valor especial para a astronomia por incluir o primeiro buraco negro alguma vez confirmado. Por esse motivo, tornou-se um dos objectos deste tipo mais conhecidos.

Essa familiaridade transforma-o num laboratório natural particularmente útil. Quando o objectivo é compreender o funcionamento real dos jatos de um buraco negro, sistemas bem estudados como este são pontos de partida ideais.

De acordo com o estudo, os jatos ejectados pelo Cygnus X-1 transportam uma quantidade de energia impressionante. Os investigadores estimam que a potência libertada equivale a cerca de 10 000 Sóis.

Este resultado reforça a noção de que os jatos são uma das principais formas de os buracos negros devolverem energia ao meio que os rodeia.

Há anos que os cientistas defendem que este tipo de retroalimentação energética tem um papel determinante na evolução das galáxias e na estrutura do Universo. O desafio tem sido demonstrá-lo de forma directa.

Observar os jatos em movimento

Em vez de inferir uma potência média ao longo de enormes períodos de tempo, a equipa utilizou uma sequência de imagens para acompanhar, momento a momento, a forma como os jatos eram empurrados e desviados pelo vento estelar intenso da estrela supergigante que orbita o buraco negro.

Esse vaivém abriu uma oportunidade rara. O vento da estrela funcionou como uma força a pressionar um repuxo de água: à medida que os dois corpos se deslocavam nas suas órbitas, os jatos iam-se curvando.

Conhecendo a intensidade do vento e medindo o desvio sofrido pelos jatos, os investigadores conseguiram fazer o caminho inverso e calcular qual era, naquele instante, a potência dos jatos.

Sequência de imagens dos jatos “dançantes” do Cygnus X-1

O autor principal, Steve Prabu, trabalhava no Curtin Institute of Radio Astronomy (CIRA) durante o estudo e encontra-se actualmente na Universidade de Oxford.

Segundo Prabu, a equipa conseguiu efectuar a medição com base numa sequência de imagens dos “jatos dançantes”.

O termo descreve o padrão de movimento observado: os jatos eram sucessivamente deflectidos em direcções diferentes pela força dos ventos da estrela supergigante, enquanto a estrela e o buraco negro percorriam as suas órbitas.

A estratégia é engenhosa porque transforma a aparente confusão do sistema em informação útil.

Em vez de encarar a curvatura dos jatos como um incómodo, os investigadores usaram-na como a peça-chave para quantificar algo que, até agora, era muito difícil de fixar.

Rápidos e com potência enorme

A equipa esclareceu também outra questão debatida há muito: a velocidade a que estes jatos se deslocam.

Os dados indicam que viajam a cerca de metade da velocidade da luz - aproximadamente 150 000 quilómetros por segundo. É uma rapidez extraordinária mesmo em termos cósmicos e, até agora, tinha sido difícil medi-la directamente.

Esta medição ajuda a determinar que fracção da energia libertada nas imediações de um buraco negro pode ser transferida para o ambiente circundante, alterando-o.

“Uma conclusão central desta investigação é que cerca de 10 percent da energia libertada à medida que a matéria cai em direcção ao buraco negro é transportada pelos jatos”, afirmou Prabu.

“Isto é o que os cientistas normalmente assumem em modelos simulados do Universo à grande escala, mas tem sido difícil confirmar por observação até agora.”

É por isso que o resultado é relevante para lá do Cygnus X-1. Em muitos modelos computacionais do cosmos, já se parte do princípio de que cerca de 10 percent da energia gerada pela matéria em queda é canalizada para jatos.

Até aqui, esse valor era sobretudo uma hipótese de trabalho, mais do que um número solidamente sustentado por evidência directa. O estudo dá um apoio muito mais robusto a essa ideia.

Porque é que estas conclusões têm impacto mais amplo

Uma das razões para a utilidade deste resultado é que se pensa que a física junto de buracos negros escala de forma relativamente consistente.

Assim, um valor obtido para um buraco negro com apenas cerca de 10 vezes a massa do Sol pode ajudar a compreender o comportamento de buracos negros muito maiores, com massas milhões de vezes superiores.

O co-autor James Miller-Jones, também do CIRA, explicou que os métodos anteriores só permitiam estimar a potência média dos jatos ao longo de milhares ou mesmo milhões de anos, o que impedia comparações rigorosas com a energia de raios X libertada instantaneamente pela matéria em queda.

“E, como as nossas teorias sugerem que a física em torno de buracos negros é muito semelhante, podemos agora usar esta medição como ponto de ancoragem para a nossa compreensão dos jatos, quer venham de buracos negros com 10 ou com 10 milhões de vezes a massa do Sol”, afirmou.

Esse “ponto de ancoragem” é importante porque se espera que os jatos de buracos negros sejam comuns em todo o Universo, e não apenas em sistemas próximos ou particularmente famosos.

Os astrónomos preparam-se para um futuro em que projectos de radiotelescópios de grande escala irão detectar jatos associados a buracos negros em milhões de galáxias distantes.

Quando isso acontecer, dispor de uma referência fiável baseada em medições reais terá um enorme valor.

Detectar jatos de buracos negros distantes

Instrumentos futuros - incluindo o Observatório da Matriz de Quilómetro Quadrado (SKA), em construção na Austrália Ocidental e na África do Sul - deverão revelar um número gigantesco de jatos de buracos negros por todo o Universo.

“Com projectos de radiotelescópios como o Observatório da Matriz de Quilómetro Quadrado (SKA), actualmente em construção na Austrália Ocidental e na África do Sul, esperamos detectar jatos de buracos negros em milhões de galáxias distantes, e o ponto de ancoragem fornecido por esta nova medição ajudará a calibrar a sua potência total”, disse Miller-Jones.

“Os jatos de buracos negros constituem uma fonte importante de retroalimentação para o ambiente envolvente e são críticos para compreender a evolução das galáxias.”

Há muito que se suspeita que os jatos dos buracos negros ajudam a moldar as galáxias e o Universo no seu conjunto. Agora, existe uma noção bem mais clara de quão potentes esses jatos podem ser e de quanta energia de um buraco negro conseguem efectivamente transportar para longe.

Numa área onde dominam escalas gigantescas e pistas indirectas, uma medição deste tipo representa um avanço significativo.

A investigação foi publicada na revista Nature Astronomia.