Discos de acreção: quão grandes são, realmente?

Recorrendo ao telescópio Gemini North, uma metade do Observatório Internacional Gemini, operado pelo NOIRLab da NSF, os astrónomos detetaram pela primeira vez evidências da presença de um disco de acreção no núcleo galáctico ativo da galáxia III Zw 002. Utilizando duas linhas de emissão raras e peculiares no infravermelho próximo, estas observações colocam limites firmes na dimensão do disco de acreção da galáxia e lançam nova luz sobre a sua geometria e comportamento.

Nada evoca uma perspetiva espiral existencial como olhar para a imagem de uma galáxia. À primeira vista, estas estruturas sublimes podem parecer bastante serenas. Mas, na verdade, o centro de muitas galáxias é um ambiente turbulento que contém um buraco negro supermassivo que se alimenta ativamente. A orbitar estes objetos incompreensivelmente densos estão discos de acreção rodopiantes de gás e poeira, que alimentam o buraco negro e emitem quantidades imensas de energia ao longo de todo o espetro eletromagnético – desde raios gama e raios X altamente energéticos, passando pela luz visível, até às ondas infravermelhas e de rádio.

O estudo dos discos de acreção pode melhorar a compreensão dos astrónomos sobre os buracos negros e a evolução das galáxias que os hospedam. A maior parte dos discos de acreção, no entanto, são impossíveis de observar diretamente devido às suas distâncias extremas e tamanhos relativamente pequenos. Em vez disso, os astrónomos utilizam os espectros da luz emitida no interior do disco para caracterizar o seu tamanho e comportamento. Usando esta abordagem, os astrónomos que usam o telescópio Gemini North, uma metade do Observatório Internacional Gemini, operado pelo NOIRLab da NSF, fizeram a primeira deteção de sempre de duas linhas de emissão, no infravermelho próximo, no disco de acreção da galáxia III Zw 002, colocando um novo limite no tamanho destas magníficas estruturas.

Para compreender estas observações, comecemos por discutir o que são linhas de emissão e o que nos dizem sobre as regiões em torno de buracos negros supermassivos.

As linhas de emissão resultam quando um átomo num estado excitado cai para um nível de energia mais baixo, libertando luz no processo. Uma vez que cada átomo tem um conjunto único de níveis de energia, a luz emitida tem um comprimento de onda discreto que atua como uma impressão digital que identifica a sua origem. As linhas de emissão aparecem normalmente nos espetros como picos finos e nítidos. Mas no vórtice rodopiante de um disco de acreção, onde o gás excitado está sob a influência gravitacional do buraco negro supermassivo e se move a velocidades de milhares de quilómetros por segundo, as linhas de emissão alargam-se em picos mais rasos. A região do disco de acreção onde estas linhas têm origem é designada por região de linhas largas.

Como já foi referido, é extremamente difícil obter imagens diretas dos discos de acreção, tendo apenas sido obtidas imagens de duas fontes graças à capacidade de alta resolução angular do EHT (Event Horizon Telescope). Assim, se não houver acesso a uma rede global de radiotelescópios, como é que os astrónomos sabem quando um buraco negro supermassivo tem um disco à sua volta? Acontece que a evidência de um disco de acreção pode ser encontrada num padrão específico de linhas de emissão largas chamado perfil de pico duplo.

Dado que o disco está a girar, o gás de um lado está a afastar-se do observador, enquanto o gás do outro lado está a mover-se na direção do observador. Estes movimentos relativos esticam e comprimem as linhas de emissão para comprimentos de onda mais longos e mais curtos, respetivamente. O resultado é uma linha alargada com dois picos distintos, cada um originário de cada lado do disco em rápida rotação.

Estes perfis de pico duplo são um fenómeno raro, uma vez que a sua ocorrência está limitada a fontes que podem ser observadas quase de face. Nas poucas fontes em que foi observado, o pico duplo foi encontrado nas linhas H-alfa e H-beta – duas linhas de emissão de átomos de hidrogénio que aparecem na gama de comprimentos de onda do visível. Com origem na zona interior da região de linhas largas perto do buraco negro supermassivo, estas linhas não fornecem qualquer evidência sobre a dimensão do disco de acreção na sua totalidade. Mas observações recentes no infravermelho próximo revelaram uma zona da região exterior de linhas largas que nunca tinha sido vista antes.

Denimara Dias dos Santos, aluna de doutoramento do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais no Brasil e autora principal do artigo, em colaboração com Alberto Rodriguez-Ardila, Swayamtrupta Panda e Murilo Marinello, investigadores do Laboratório Nacional de Astrofísica no Brasil, fez a primeira deteção inequívoca de dois perfis duplos no infravermelho próximo na região de linhas largas de III Zw 002. A linha Paschen-alfa (hidrogénio) tem origem na zona interior da região de linhas largas e a linha O I (oxigénio neutro) tem origem na periferia da região de linhas largas, uma região que nunca tinha sido observada antes. Estes são os primeiros perfis de duplo pico a serem encontrados no infravermelho próximo e surgiram inesperadamente durante as observações com o GNIRS (Gemini Near-Infrared Spectrograph).

Observações de 2003 de III Zw 002, no visível, revelaram evidências de um disco de acreção e um estudo de 2012 encontrou resultados semelhantes. Em 2021, Rodriguez-Ardila e a sua equipa propuseram-se complementar estas descobertas com observações no infravermelho próximo utilizando o GNIRS, que é capaz de observar todo o espetro do infravermelho próximo (800-2500 nanómetros) de uma só vez. Outros instrumentos exigem que o utilizador alterne entre vários filtros para cobrir a mesma gama, o que pode ser moroso e pode introduzir incertezas, uma vez que as condições atmosféricas e as calibrações mudam entre as observações.

Tendo em conta que o GNIRS é capaz de fazer observações simultâneas em várias bandas de luz, a equipa conseguiu captar um único espetro limpo e consistentemente calibrado, no qual foram revelados vários perfis de pico duplo. “Não sabíamos anteriormente que III Zw 002 tinha este perfil de pico duplo, mas quando reduzimos os dados vimos o pico duplo muito claramente,” disse Rodriguez-Ardila. “De facto, reduzimos os dados muitas vezes pensando que podia ser um erro, mas de todas as vezes vimos o mesmo resultado excitante.”

Estas observações não só confirmam a presença teorizada de um disco de acreção, como também fazem avançar a compreensão dos astrónomos sobre a região de linhas largas.

“Pela primeira vez, a deteção de tais perfis de picos duplos coloca restrições firmes sobre a geometria de uma região que de outra forma não é possível resolver,” disse Rodriguez-Ardila. “E agora temos evidências claras do processo de alimentação e da estrutura interna de uma galáxia ativa.”

Comparando estas observações com os modelos existentes de disco, a equipa conseguiu extrair parâmetros que fornecem uma imagem mais clara do buraco negro supermassivo de III Zw 002 e da região de linhas largas.

O modelo indica que a linha Paschen-alfa tem origem num raio de 16,77 dias-luz (a distância que a luz percorre num dia terrestre, medida a partir do buraco negro supermassivo), e a linha O I tem origem num raio de 18,86 dias-luz. Também prevê que o raio exterior da região de linhas largas é de 52,43 dias-luz. O modelo também indica que a região de linhas largas de III Zw 002 tem um ângulo de inclinação de 18 graus em relação aos observadores na Terra e que o buraco negro supermassivo no seu centro tem 400-900 milhões de vezes a massa do nosso Sol.

“Esta descoberta dá-nos informações valiosas sobre a estrutura e o comportamento da região de linhas largas nesta galáxia em particular, lançando luz sobre os fenómenos fascinantes que ocorrem em torno de buracos negros supermassivos em galáxias ativas,” disse Rodriguez-Ardila.

Na sequência desta descoberta, Dias dos Santos, Rodriguez-Ardila, Panda e Marinello estão agora a monitorizar III Zw 002, uma vez que se espera que o seu disco de acreção siga um padrão de precessão em torno do buraco negro supermassivo. Querem ver como os perfis das linhas mudam com o tempo, uma vez que a precessão causa diferentes intensidades nos picos azul e vermelho. Até agora, o modelo mantém-se consistente com as observações. Estes resultados também abrem a possibilidade de usar a deteção no infravermelho próximo para estudar outros NGAs.

// NOIRLab Stories (blog)
// Artigo científico (The Astrophysical Journal Letters)
// Artigo científico (arXiv.org)

Saiba mais:

III Zw 2:
Wikipedia

Buraco negro supermassivo:
Wikipedia

NGAs (Núcleos Galácticos Ativos):
Wikipedia

Disco de acreção:
Wikipedia

Espetro eletromagnético:
Wikipedia
Espetro de emissão (Wikipedia)

Linha H-alfa:
Wikipedia

Linha H-beta:
Série de Balmer (Wikipedia)

Espetro do hidrogénio:
Wikipedia
Série de Paschen (Wikipedia)

Observatório Internacional Gemini:
Página principal
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