Astrônomos medem pela primeira vez a rotação de um buraco negro supermassivo

Para fazer a medição, a equipe usou a oscilação do material estelar após um evento de perturbação de maré. Este evento ocorre quando um buraco negro rasga uma estrela, criando um disco de acreção quente. Tal disco pode atingir temperaturas de milhões de graus, tornando-se extremamente luminoso e visível em diversas faixas do espectro eletromagnético.

Ao acompanhar como a oscilação do disco de acreção mudou ao longo do tempo, os cientistas puderam descobrir o quanto o disco era afetado pela rotação do buraco negro e, por sua vez, a que velocidade o próprio buraco negro girava: a menos de 25% da velocidade da luz, o que é relativamente lento.

"Estudando vários sistemas nos próximos anos com este método, os astrônomos podem estimar a distribuição geral das rotações dos buracos negros e entender a questão de longa data de como eles evoluem ao longo do tempo", diz Dheeraj Pasham, principal autor do estudo e membro do Instituto Kavli de Astrofísica e Pesquisa Espacial do MIT, em comunicado.

Pasham afirma que o novo método pode medir as rotações de centenas de buracos negros no universo local nos próximos anos. Com isso, os cientistas poderão estudar as oscilações de muitos desses fenômenos próximos e entender melhor a evolução desses gigantes gravitacionais ao longo da história do Universo.

Os buracos negros possuem uma rotação inerente que é resultado de seus encontros cósmicos ao longo do tempo. Se eles cresceram principalmente pela acreção de material, sua rotação pode ser alta devido às altas velocidades geradas durante esses processos. Por outro lado, se cresceram pela fusão com outros buracos negros, suas rotações podem ser desaceleradas conforme suas rotações se igualam.

O vídeo abaixo feito pelos pesquisadores ilustra como ocorre o processo de giro do buraco negro. Veja:

Quando um buraco negro gira, ele arrasta o espaço-tempo ao seu redor, um efeito conhecido como precessão de Lense-Thirring. Isso é causado pelos fortes campos gravitacionais dos buracos negros, que normalmente são invisíveis, pois não emitem luz.

Nos últimos cinco anos, Pasham tem buscado eventos de interrupção de maré que sejam suficientemente brilhantes e próximos para serem rapidamente acompanhados e estudados quanto à precessão de Lense-Thirring. Em fevereiro de 2020, ele e seus colegas tiveram sorte ao detectar o AT2020ocn, um flash brilhante vindo de uma galáxia a cerca de um bilhão de anos-luz de distância, inicialmente detectado pelo projeto de observação astronômica Zwicky Transient Facility.

Com base em dados ópticos, o flash parecia representar os primeiros momentos após uma interrupção de maré. Dada a sua luminosidade e proximidade relativa, Pasham suspeitava que esse evento poderia ser o candidato ideal para procurar sinais de oscilação do disco de acreção e, possivelmente, medir a rotação do buraco negro no centro da galáxia hospedeira. No entanto, para isso, seriam necessários muitos mais dados.

"Precisávamos de dados rápidos e de alta cadência", diz o pesquisador. "A chave era capturar isso desde o início porque essa precessão, ou oscilação, só deveria estar presente no início. Qualquer momento depois, e o disco não oscilaria mais."

A equipe utilizou o telescópio NICER da NASA para observar o AT2020ocn por 200 dias após sua detecção inicial. Eles descobriram que o evento emitia raios X que pareciam atingir o pico a cada 15 dias, por vários ciclos, antes de desaparecer.

Com o lançamento de tecnologias, como o Observatório Vera C. Rubin, no Chile, nos próximos anos, Pasham acredita que haverá mais oportunidades para determinar as rotações dos buracos negros. "Mesmo que uma pequena fração daqueles que o Rubin capturar tenha esse tipo de sinal, agora temos uma maneira de medir as rotações de centenas de eventos de perturbação de marés", ele diz.