Medição espacial do turbilhão de massa num buraco negro com centenas de milhões de massas solares

“2018 foi o ano mirabilis

Instrumento GRAVITY e câmara de infravermelho desenvolvidas por cientistas do CENTRA, Ciências ULisboa e FEUP

Ilustração de um buraco negro ativo no centro de uma galáxia

ESO/L. Calçada

Curiosidades

O que é o efeito Doppler?

É um efeito em que a cor dos objetos muda de acordo com a sua velocidade. Este efeito é utilizado para medir a velocidade dos automóveis.

Sabia que um buraco negro é uma concentração de massa muito grande numa escala espacial comparavelmente pequena? A luz não consegue escapar do interior do buraco negro, no entanto, na vizinhança da sua superfície e na presença de matéria, têm lugar fenómenos muito energéticos que emitem luz.

Cientistas portugueses estiveram envolvidos na primeira medição espacial do redemoinho de massa que orbita um buraco negro de centenas de milhões de massas solares. Os resultados desta investigação realizada por uma equipa internacional são divulgados pela revista Nature, no artigo "Spatially resolved rotation of the broad-line region of a quasar at sub-parsec scale".

Nesta investigação foi utilizado o instrumento GRAVITY, que combina a luz dos quatro telescópios gigantes de 8 m de diâmetro do Observatório Europeu do Sul, usando uma técnica denominada de interferometria.

António Amorim, coautor do artigo, professor do Departamento de Física de Ciências ULisboa e investigador no CENTRA, refere que “utilizando o instrumento GRAVITY, do qual o nosso grupo construiu a câmara de infravermelho, observámos variações da velocidade dentro de um ‘quasar’ (3c 273), que é um buraco negro com massas de centenas de milhões de vezes a massa do Sol e com uma luminosidade milhares de vezes superior à de toda uma galáxia como a nossa via Láctea. Este quasar encontra-se a uma distância de 2400 milhões de anos luz.”

Paulo Garcia, coautor do artigo, professor na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto e investigador do CENTRA, explica que “até agora esta região era localizada apenas através de ecos temporais. Explosões na vizinhança do buraco negro propagavam-se nas riscas, mudando-as ao longo do tempo. Estudando com minúcia o eco temporal na risca e combinando-o com a velocidade da luz, obtinha-se informação sobre a região onde se encontrava o hidrogénio”.


O instrumento GRAVITY e a câmara de infravermelho desenvolvidas pelo CENTRA, um trabalho realizado por cientistas de Ciências ULisboa e da FEUP
Fonte MPE/GRAVITY team

“Em geral, as galáxias massivas albergam, no seu centro, um buraco negro supermassivo. Diz-se que uma galáxia é ativa quando o buraco negro supermassivo no seu centro devora material circundante, permitindo detetar a atividade através da radiação emitida que lhe é característica. Os quasares são as galáxias ativas mais brilhantes, e dos objetos mais brilhantes do Universo. Se estudarmos estes objetos com uma precisão superior a mil vezes mais do que aquela com que distinguimos as sete cores do arco-íris, observamos riscas de emissão de átomos de hidrogénio. Detetam-se, por efeito Doppler, velocidades de milhões de km/h no hidrogénio, compatível com um turbilhão de matéria em torno do buraco negro.”
Mercedes Filho, investigadora do CENTRA e da FEUP


Movimento das nuvens de gás detetados pelo GRAVITY. A cor indica o desvio Doppler os pontos à esquerda/abaixo da linha são em geral avermelhados (movem-se para dentro da folha). Os pontos à direita/acima da linha são em geral azulados (movem-se para fora da folha)
Fonte CENTRA

Para Eckhard Sturm, investigador do Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPE),  “o GRAVITY permitiu medir espacialmente esta região pela primeira vez e observar o movimento das nuvens de gás em torno do buraco negro. As nuvens movem-se num turbilhão em torno do buraco negro central”.

Para se ter uma ideia da impressionante precisão espacial do GRAVITY, imagine que estas nuvens de gás são pequenos LED movendo-se em torno de um eixo na Lua. Estas nuvens movem-se numa região com a forma de um donut, com um raio correspondente de cerca de 10 cm, sendo cada LED posicionado com a precisão de cerca de 6 mm.


Esquema do donut que explica o movimento das nuvens de gás. Este donut roda em torno do eixo. A bola negra ilustra o buraco negro
Fonte GRAVITY collaboration, 2018

A nova técnica permitiu obter informação sobre a massa do buraco negro central e a escala espacial da distribuição do gás. Para Jason Dexter, investigador do MPE, “este método confirma estimativas de cerca de 300 milhões de massas solares para a massa do buraco negro.”

Atualmente, Paulo Garcia está em licença sabática nos telescópios do Chile onde estas descobertas foram feitas. “2018 foi o ano mirabilis do instrumento GRAVITY. Depois de uma década de trabalho a construí-lo, obtivemos resultados excecionais. Em julho detetamos o redshift gravitacional numa estrela que orbita o buraco negro no centro da nossa galáxia. Em outubro detetaram-se ‘relâmpagos’ na vizinhança do buraco negro da nossa galáxia e agora temos este resultado para o quasar 3C273”, conclui.

“Os buracos negros são objetos intrigantes que nos permitem estudar a Física em condições extremas. Com o GRAVITY podemos estudar buracos negros na nossa Galáxia e fora dela.”
Reinhard Genzel, investigador do MPE

Artist's impression of the whirlpool around a gigantic black hole

Fonte L. Calçada/ESO

 

 

CENTRA, com ACI Ciências ULisboa e UIC FEUP
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