No dia 12 de maio, em nove coletivas de imprensa simultâneas ao redor do mundo, astrofísicos revelou a primeira imagem do buraco negro no coração da Via Láctea. A princípio, por mais impressionante que tenha sido, a imagem meticulosamente produzida do anel de luz ao redor do poço central de escuridão da nossa galáxia parecia apenas provar o que os especialistas já esperavam: o buraco negro supermassivo da Via Láctea existe, está girando e obedece às instruções de Albert Einstein. teoria geral da relatividade.
E, no entanto, em uma inspeção mais detalhada, as coisas não se encaixam.
A partir do brilho do bagel de luz, os pesquisadores estimaram com que rapidez a matéria está caindo em Sagitário A* - o nome dado ao buraco negro central da Via Láctea. A resposta é: não rapidamente. "Está entupido até um pequeno fio", disse Priya Natarajan, um cosmólogo da Universidade de Yale, comparando a galáxia a um chuveiro quebrado. De alguma forma, apenas um milésimo da matéria que é fluindo para a Via Láctea do meio intergaláctico circundante faz todo o caminho para baixo e para dentro do buraco. “Isso está revelando um grande problema”, disse Natarajan. “Para onde está indo esse gás? O que está acontecendo com o fluxo? Está muito claro que nossa compreensão do crescimento dos buracos negros é suspeita.”
Ao longo do último quarto de século, os astrofísicos reconheceram que existe uma relação estreita e dinâmica entre muitas galáxias e os buracos negros em seus centros. “Houve uma transição muito grande no campo”, diz Ramesh Narayan, um astrofísico teórico da Universidade de Harvard. “A surpresa foi que os buracos negros são importantes como formadores e controladores de como as galáxias evoluem.”
Esses buracos gigantes – concentrações de matéria tão densas que a gravidade impede que até a luz escape – são como os motores das galáxias, mas os pesquisadores estão apenas começando a entender como eles funcionam. A gravidade atrai poeira e gás para dentro do centro galáctico, onde forma um disco de acreção giratório ao redor do buraco negro supermassivo, aquecendo e se transformando em plasma incandescente. Então, quando o buraco negro engole essa matéria (seja em gotas e borrões ou em rajadas repentinas), a energia é cuspida de volta para a galáxia em um processo de feedback. “Quando você cria um buraco negro, está produzindo energia e despejando-a no ambiente com mais eficiência do que por meio de qualquer outro processo que conhecemos na natureza”, disse. Eliot Quataert, um astrofísico teórico da Universidade de Princeton. Esse feedback afeta as taxas de formação de estrelas e os padrões de fluxo de gás em toda a galáxia.
Mas os pesquisadores têm apenas ideias vagas sobre os episódios “ativos” dos buracos negros supermassivos, que os transformam nos chamados núcleos galácticos ativos (AGNs). “Qual é o mecanismo de disparo? Qual é o botão de desligar? Essas são as questões fundamentais que ainda estamos tentando abordar”, disse Salão Kirsten do Centro Harvard-Smithsonian para Astrofísica.
O feedback estelar, que ocorre quando uma estrela explode como uma supernova, é conhecido por ter efeitos semelhantes aos do feedback AGN em menor escala. Esses motores estelares são facilmente grandes o suficiente para regular pequenas galáxias “anãs”, enquanto apenas os motores gigantes de buracos negros supermassivos podem dominar a evolução das maiores galáxias “elípticas”.
Em termos de tamanho, a Via Láctea, uma típica galáxia espiral, fica no meio. Com poucos sinais óbvios de atividade em seu centro, pensava-se que nossa galáxia era dominada por feedback estelar. Mas várias observações recentes sugerem que o feedback do AGN também o molda. Ao estudar os detalhes da interação entre esses mecanismos de feedback em nossa galáxia – e lidando com quebra-cabeças como a atual obscuridade de Sagitário A * – os astrofísicos esperam descobrir como galáxias e buracos negros coevoluem em geral. A Via Láctea “está se tornando o laboratório astrofísico mais poderoso”, disse Natarajan. Ao servir como um microcosmo, “pode ser a chave”.
Motores Galácticos
No final da década de 1990, os astrônomos geralmente aceitavam a presença de buracos negros nos centros das galáxias. A essa altura, eles podiam ver perto o suficiente desses objetos invisíveis para deduzir sua massa pelos movimentos das estrelas ao seu redor. UMA estranha correlação surgiu: Quanto mais massiva é uma galáxia, mais pesado é o seu buraco negro central. “Isso foi particularmente apertado e foi totalmente revolucionário. De alguma forma, o buraco negro está falando com a galáxia”, disse Tiziana Di Matteo, astrofísico da Carnegie Mellon University.
A correlação é surpreendente quando você considera que o buraco negro – grande como é – é uma fração escassa do tamanho da galáxia. (Sagitário A* pesa cerca de 4 milhões de sóis, por exemplo, enquanto a Via Láctea mede cerca de 1.5 trilhão de massas solares.) Por causa disso, a gravidade do buraco negro só puxa com alguma força a região mais interna da galáxia.
Para Martin Rees, Astrônomo Real do Reino Unido, o feedback do AGN ofereceu uma maneira natural de conectar o relativamente pequeno buraco negro à galáxia em geral. Duas décadas antes, na década de 1970, Rees levantou a hipótese correta de que os buracos negros supermassivos alimentar os jatos luminosos observado em algumas galáxias distantes e brilhantes chamadas quasares. Ele até proposto, junto com Donald Lynden-Bell, que um buraco negro explicaria por que o centro da Via Láctea brilha. Poderiam estes ser sinais de um fenômeno geral que governa o tamanho dos buracos negros supermassivos em todos os lugares?
A ideia era que quanto mais matéria um buraco negro engole, mais brilhante ele fica, e o aumento da energia e do momento sopra o gás para fora. Eventualmente, a pressão externa impede que o gás caia no buraco negro. “Isso encerrará o crescimento. De uma maneira ondulada, esse foi o raciocínio”, disse Rees. Ou, nas palavras de Di Matteo, “o buraco negro come e depois engole”. Uma galáxia muito grande coloca mais peso no buraco negro central, tornando mais difícil soprar gás para fora, e assim o buraco negro cresce antes de engolir.
No entanto, poucos astrofísicos estavam convencidos de que a energia da matéria em queda poderia ser ejetada de maneira tão dramática. “Quando eu estava fazendo minha tese, estávamos todos obcecados com buracos negros como um ponto sem retorno – apenas gás entrando”, disse Natarajan, que ajudou a desenvolver os primeiros modelos de feedback AGN como aluno de pós-graduação de Rees. “Todo mundo teve que fazer isso com muita cautela e cautela, pois era tão radical.”
A confirmação da ideia de feedback veio alguns anos depois, a partir de simulações de computador desenvolvidas por Di Matteo e os astrofísicos Volker Springel e Lars Hernquist. “Queríamos reproduzir o incrível zoológico de galáxias que vemos no universo real”, disse Di Matteo. Eles conheciam o quadro básico: as galáxias começam pequenas e densas no início do universo. Avance o relógio e a gravidade esmaga esses anões em uma explosão de fusões espetaculares, formando anéis, redemoinhos, charutos e todas as formas intermediárias. As galáxias crescem em tamanho e variedade até que, após colisões suficientes, se tornam grandes e suaves. “Acaba em uma bolha”, disse Di Matteo. Nas simulações, ela e seus colegas puderam recriar essas grandes bolhas sem características, chamadas galáxias elípticas, mesclando muitas vezes galáxias espirais. Mas havia um problema.
Enquanto galáxias espirais como a Via Láctea têm muitas estrelas jovens que brilham em azul, galáxias elípticas gigantes contêm apenas estrelas muito antigas que brilham em vermelho. “Eles estão vermelhos e mortos”, disse Springel, do Instituto Max Planck de Astrofísica em Garching, Alemanha. Mas toda vez que a equipe executava sua simulação, ela cuspia elípticas que brilhavam em azul. O que quer que estivesse desligando a formação de estrelas não havia sido capturado em seu modelo de computador.
Então, disse Springel, “temos a ideia de aumentar nossas fusões de galáxias com buracos negros supermassivos no centro. Deixamos esses buracos negros engolir gás e liberar energia até que tudo se desfez, como uma panela de pressão. De repente, a galáxia elíptica pararia a formação de estrelas e ficaria vermelha e morta.”
“Meu queixo caiu”, acrescentou. “Não esperávamos que [o efeito] fosse tão extremo.”
Ao reproduzir elípticas vermelhas e mortas, a simulação reforçou as teorias de feedback de buracos negros de Rees e Natarajan. Um buraco negro, apesar de seu tamanho relativamente pequeno, pode se comunicar com a galáxia como um todo por meio de feedback. Nas últimas duas décadas, os modelos de computador foram refinados e expandidos para simular grandes áreas do cosmos e correspondem amplamente ao zoológico eclético de galáxias que vemos ao nosso redor. Essas simulações também mostram que a energia ejetada dos buracos negros preenche o espaço entre as galáxias com gás quente que, de outra forma, já deveria ter esfriado e se transformado em estrelas. “As pessoas estão convencidas agora de que os buracos negros supermassivos são motores muito plausíveis”, disse Springel. “Ninguém apresentou um modelo de sucesso sem buracos negros.”
Mistérios de Feedback
No entanto, as simulações de computador ainda são surpreendentemente contundentes.
À medida que a matéria se arrasta para dentro do disco de acreção ao redor de um buraco negro, o atrito faz com que a energia seja empurrada de volta; a quantidade de energia perdida dessa maneira é algo que os codificadores colocam em suas simulações manualmente por tentativa e erro. É um sinal de que os detalhes ainda são indescritíveis. “Existe a possibilidade de que, em alguns casos, estejamos obtendo a resposta certa pelo motivo errado”, disse Quataert. “Talvez não estejamos capturando o que é realmente a coisa mais importante sobre como os buracos negros crescem e como eles despejam energia em seus arredores.”
A verdade é que os astrofísicos não sabem realmente como funciona o feedback AGN. “Sabemos o quanto é importante. Mas está nos escapando exatamente o que causa esse feedback”, disse Di Matteo. “O problema principal é que não entendemos o feedback profundamente, fisicamente.”
Eles sabem que alguma energia é emitida como radiação, o que dá aos centros das galáxias ativas seu brilho característico. Campos magnéticos fortes fazem com que a matéria também voe para fora do disco de acreção, seja como ventos galácticos difusos ou em poderosos jatos estreitos. O mecanismo pelo qual os buracos negros são pensados para lançar jatos, chamado de Processo Blandford-Znajek, foi identificado na década de 1970, mas o que determina a potência do feixe e quanto de sua energia é absorvida pela galáxia é “ainda um problema não resolvido”, disse Narayan. O vento galáctico, que emana esfericamente do disco de acreção e, portanto, tende a interagir mais diretamente com a galáxia do que os jatos estreitos, é ainda mais misterioso. “A pergunta de um bilhão de dólares é: como está o acoplamento de energia ao gás?” disse Springel.
Um sinal de que ainda há um problema é que os buracos negros em simulações cosmológicas de última geração acabam menor do que os tamanhos observados de buracos negros supermassivos reais em alguns sistemas. Para desligar a formação de estrelas e criar galáxias vermelhas e mortas, as simulações precisam de buracos negros para ejetar tanta energia que sufocam o fluxo de matéria para dentro, para que os buracos negros parem de crescer. “O feedback nas simulações é muito agressivo; impede o crescimento prematuramente”, disse Natarajan.
A Via Láctea exemplifica o problema oposto: as simulações normalmente preveem que uma galáxia de seu tamanho deve ter um buraco negro entre três e 10 vezes maior do que Sagitário A*.
Ao examinar mais de perto a Via Láctea e as galáxias próximas, os pesquisadores esperam que possamos começar a desvendar precisamente como funciona o feedback AGN.
Ecossistema da Via Láctea
Em dezembro de 2020, pesquisadores do telescópio de raios X eROSITA relataram que haviam viu um par de bolhas estendendo-se por dezenas de milhares de anos-luz acima e abaixo da Via Láctea. As vastas bolhas de raios X pareciam bolhas igualmente desconcertantes de raios gama que, 10 anos antes, o Telescópio Espacial de Raios Gama Fermi detectou emanando da galáxia.
Duas teorias de origem das bolhas de Fermi ainda estavam sendo muito debatidas. Alguns astrofísicos sugeriram que eles eram uma relíquia de um jato que saiu de Sagitário A* milhões de anos atrás. Outros pensaram que as bolhas eram a energia acumulada de muitas estrelas explodindo perto do centro galáctico – uma espécie de feedback estelar.
Quando Hsiang-Yi Karen Yang da Universidade Nacional Tsing Hua em Taiwan viu a imagem das bolhas de raios-X eROSITA, ela “começou a pular para cima e para baixo”. Ficou claro para Yang que os raios X poderiam ter uma origem comum com os raios gama se ambos fossem gerados pelo mesmo jato AGN. (Os raios-X viriam do gás chocado na Via Láctea, e não do próprio jato.) Junto com os coautores Ellen Zweibel e Mateusz Ruszkowski, ela começou a construir um modelo de computador. Os resultados, publicado em Astrofísica da Natureza Na primavera passada, não apenas replicaram a forma das bolhas observadas e uma frente de choque brilhante, mas previram que elas se formaram ao longo de 2.6 milhões de anos (expandindo-se para fora de um jato que estava ativo por 100,000 anos) - muito rápido para ser explicado pelo feedback estelar.
A descoberta sugere que o feedback AGN pode ser muito mais importante em galáxias de disco comuns como a Via Láctea do que os pesquisadores costumavam pensar. A imagem que está surgindo é semelhante à de um ecossistema, disse Yang, onde o AGN e o feedback estelar estão entrelaçados com o gás quente e difuso que envolve as galáxias, chamado de meio circungaláctico. Diferentes efeitos e padrões de fluxo dominarão em diferentes tipos de galáxias e em diferentes momentos.
Um estudo de caso do passado e do presente da Via Láctea pode revelar a interação desses processos. O telescópio espacial Gaia da Europa, por exemplo, mapeou as posições e movimentos precisos de milhões de estrelas da Via Láctea, permitindo que os astrofísicos reconstituam a história de suas fusões com galáxias menores. Supõe-se que tais eventos de fusão ativam buracos negros supermassivos agitando matéria neles, fazendo com que subitamente iluminem e até lancem jatos. “Há um grande debate na área sobre se as fusões são ou não importantes”, disse Quataert. Os dados da estrela Gaia sugere que a Via Láctea não sofreu uma fusão no momento em que as bolhas Fermi e eROSITA se formaram, desfavorecendo as fusões como os gatilhos do jato AGN.
Alternativamente, bolhas de gás podem colidir com o buraco negro e ativá-lo. Pode alternar caoticamente entre comer, expelir energia como jatos e ventos galácticos e fazer uma pausa.
A imagem recente do Event Horizon Telescope de Sagitário A*, que revela seu fluxo atual de matéria em queda, apresenta um novo quebra-cabeça para resolver. Os astrofísicos já sabiam que nem todo o gás que é atraído para uma galáxia chegará ao horizonte do buraco negro, já que os ventos galácticos empurram para fora contra esse fluxo de acreção. Mas a força dos ventos necessária para explicar um fluxo tão extremamente afilado não é realista. “Quando faço simulações, não vejo ventos fortes”, disse Narayan. “Não é o tipo de vento que você precisa para uma explicação completa do que está acontecendo.”
Simulações aninhadas
Parte do desafio em entender como as galáxias funcionam é a enorme diferença entre as escalas de comprimento em jogo em estrelas e buracos negros e as escalas de galáxias inteiras e seus arredores. Ao simular um processo físico em um computador, os pesquisadores escolhem uma escala e incluem efeitos relevantes nessa escala. Mas nas galáxias, efeitos grandes e pequenos interagem.
“O buraco negro é realmente minúsculo, comparado à grande galáxia, e você não pode colocá-los todos em uma única simulação gigantesca”, disse Narayan. “Cada regime precisa de informações do outro cara, mas não sabe como fazer a conexão.”
Para tentar preencher essa lacuna, Narayan, Natarajan e colegas estão lançando um projeto que usará simulações aninhadas para construir um modelo coerente de como o gás flui através da Via Láctea e da galáxia ativa próxima Messier 87. galáxia para dizer ao buraco negro o que fazer, e então você permite que as informações do buraco negro voltem e digam à galáxia o que fazer”, disse Narayan. “É um loop que dá voltas e voltas e voltas.”
As simulações devem ajudar a esclarecer o padrão de fluxo do gás difuso dentro e ao redor das galáxias. (Outras observações do meio circungaláctico pelo Telescópio Espacial James Webb também ajudarão.) “Essa é uma parte crítica de todo esse ecossistema”, disse Quataert. “Como você leva o gás até o buraco negro para conduzir toda a energia que volta?”
Fundamentalmente, no novo esquema, todas as entradas e saídas entre simulações de diferentes escalas devem ser consistentes, deixando menos mostradores para girar. “Se a simulação for configurada corretamente, ela decidirá de forma auto-consistente quanto gás deve atingir o buraco negro”, disse Narayan. “Podemos investigar e perguntar: por que não comeu todo o gás? Por que foi tão exigente e consumiu tão pouco do gás disponível?” O grupo espera criar uma série de instantâneos das galáxias durante as diferentes fases de sua evolução.
Por enquanto, muito sobre esses ecossistemas galácticos ainda é um palpite. “É realmente uma nova era, onde as pessoas estão começando a pensar sobre esses cenários sobrepostos”, disse Yang. “Não tenho uma resposta clara, mas espero ter em alguns anos.”
Nota do editor: Priya Natarajan atualmente atua no conselho consultivo científico da Quanta.
