Observando um buraco negro supermassivo no centro de uma galáxia a 800 milhões de anos-luz de distância, o astrofísico da Universidade de Stanford - Dan Wilkins - observou uma série de clarões de raios-X. E então, os telescópios registraram algo inesperado: flashes adicionais que eram menores, posteriores e de "cores" diferentes.

A impressão do artista de ecos de reverberação. (Dan Wilkins)

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Tão extremo é o ambiente magnético e gravitacional em torno de um buraco negro que deveríamos ver a luz se curvar em torno dele e ser refletida de volta para o observador por trás do buraco negro, pelo menos, pelas previsões teóricas da relatividade geral de Einstein.

Agora, pela primeira vez, os astrônomos detectaram diretamente essa luz refletida, na forma de ecos de raios-X de um buraco negro supermassivo a 800 milhões de anos-luz de distância, em uma galáxia chamada I Zwicky 1 (I Zw 1). Isso finalmente confirma a previsão de Einstein e lança mais luz sobre os objetos mais escuros do Universo.

"Qualquer luz que entra naquele buraco negro não sai, então não devemos ser capazes de ver nada que esteja por trás do buraco negro", disse o astrofísico Dan Wilkins, da Universidade de Stanford.

"A razão pela qual podemos ver [os ecos de raios-X] é porque aquele buraco negro está deformando o espaço, dobrando a luz e torcendo os campos magnéticos ao seu redor."

Existem vários componentes para o espaço imediatamente em torno de um buraco negro. Existe o horizonte de eventos - o famoso "ponto sem retorno", no qual mesmo a velocidade da luz não é suficiente para atingir a velocidade de escape.

Um buraco negro ativo como I Zw 1* também possui um disco de acreção. É um enorme disco achatado de poeira e gás girando no objeto, como água circulando em um ralo.

Este disco fica incrivelmente quente devido às influências do campo magnético e de fricção, tão quente que os elétrons são retirados dos átomos, formando um plasma magnetizado.

 Exatamente fora do horizonte de eventos de um buraco negro ativo, dentro da borda interna do disco de acreção, é onde você encontrará a corona. Esta é uma região de elétrons extremamente quentes que se acredita ser alimentada pelo campo magnético do buraco negro.

O campo magnético fica tão retorcido que se encaixa e se reconecta, um processo que, no Sol, lança poderosas erupções. Em um buraco negro, a corona atua como um síncrotron para acelerar os elétrons a energias tão altas que eles brilham intensamente em comprimentos de onda de raios-X. 

“Este campo magnético sendo amarrado e então disparado perto do buraco negro aquece tudo ao seu redor e produz esses elétrons de alta energia que então passam a produzir os raios-X”, explicou Wilkins.

Alguns dos fótons de raios-X irradiam o disco de acreção e são reprocessados, por meio de processos como absorção fotoelétrica e fluorescência, e então reemitidos - no que é chamado de eco de reverberação, e referido como um 'reflexo' no raio-X espectro. Esta emissão de reflexão pode ser usada para mapear a região mais próxima do horizonte de eventos de um buraco negro.

Era a misteriosa coroa que Wilkins e sua equipe estavam procurando estudar quando começaram o exame da I Zw 1*. Eles fizeram observações da galáxia em janeiro de 2020 usando dois observatórios de raios-X, NUStar e XMM-Newton.

Eles viram as projeções esperadas de raios-X nos dados, mas então encontraram algo que não esperavam, flashes menores e posteriores de raios-X em uma parte diferente do espectro.

Então, Wilkins percebeu que eram consistentes com os reflexos vindos de trás do buraco negro, com seus caminhos curvados em torno do objeto massivo por seu campo gravitacional incrivelmente forte, e sua luz ampliada.

"Há alguns anos venho construindo previsões teóricas de como esses ecos aparecem para nós", explicou Wilkins. "Eu já os tinha visto na teoria que vinha desenvolvendo, então assim que os vi nas observações do telescópio, pude descobrir a conexão."

É gratificante, mais uma vez, confirmar outra previsão importante da relatividade geral, mas a descoberta é empolgante por algumas outras razões também.

Por um lado, é realmente incrível descobrir algo novo sobre os buracos negros. Eles são bestas cósmicas complexas, sendo invisíveis, e com o espaço ao seu redor tão extremo que os estudos observacionais são bastante desafiadores.

É também uma medida de quão longe chegamos, que podemos fazer esses tipos de observações granulares, tanto com nossa instrumentação quanto com nossas técnicas analíticas. A ciência dos buracos negros, dizem os pesquisadores, só vai ficar melhor, com uma nova geração de telescópios prontos para abrir seus olhos no céu.

"A imagem que estamos começando a obter dos dados no momento ficará muito mais clara com esses novos observatórios", disse Wilkins.

Mais informações:

Light bending and X-ray echoes from behind a supermassive black hole, Nature (2021). DOI: 10.1038/s41586-021-03667-0, www.nature.com/articles/s41586-021-03667-0

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Referência: 

MICHELLE, Starr. Warped Light Emerging From Behind a Black Hole Has Been Detected For The First Time. Science Alert, 28, jul. 2021. Disponível em: <https://www.sciencealert.com/for-the-first-time-astronomers-have-seen-light-reflected-from-behind-a-black-hole>. Acesso em: 28, jul. 2021.

First detection of light from behind a black hole. Phys Org, 28, jul. 2021. Disponível em: <https://phys.org/news/2021-07-black-hole.html>. Acesso em: 28, jul. 2021.