IXPE da NASA detalha formas de estruturas em buraco negro recém-descoberto

O Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE) da NASA ajudou astrônomos a entender melhor as formas de estruturas cruciais em um buraco negro – especificamente, o disco de material girando ao seu redor e a região de plasma em mudança chamada coroa.

O buraco negro de massa estelar, parte do sistema binário Swift J1727.8-1613, foi descoberto no verão de 2023 durante um evento de brilho incomum que o fez brevemente ofuscar quase todas as outras fontes de raios-X. É o primeiro de seu tipo a ser observado pelo IXPE enquanto passa pelo início, pico e conclusão de uma explosão de raios-X como essa.

Uma ilustração mostra a espaçonave IXPE da NASA observando o sistema binário recém-descoberto Swift J1727.8-1613 à distância. No centro, um buraco negro é cercado por um disco de acreção (amarelo e laranja) e uma coroa quente e instável (azul). O buraco negro está sugando gás de sua estrela companheira, vista atrás do buraco negro como uma esfera vermelha. Jatos de partículas superaquecidas e de movimento rápido saem dos polos do buraco negro.

Swift J1727 é o tema de uma série de novos estudos publicados no The Astrophysical Journal e Astronomy & Astrophysics. Os cientistas afirmam que as descobertas fornecem novas informações sobre o comportamento e a evolução dos sistemas binários de raios-X de buracos negros.

“Essa explosão evoluiu incrivelmente rápido”, disse a astrofísica Alexandra Veledina, pesquisadora permanente da Universidade de Turku, na Finlândia. “Desde nossa primeira detecção da explosão, o Swift J1727 levou apenas dias para atingir o pico. Até então, o IXPE e inúmeros outros telescópios e instrumentos já estavam coletando dados. Foi emocionante observar a explosão até seu retorno à inatividade.”

Até o final de 2023, o Swift J1727 permaneceu brevemente mais brilhante do que a Nebulosa do Caranguejo, a “vela” padrão de raios-X usada para fornecer uma linha de base para unidades de brilho de raios-X. Essas explosões não são incomuns entre sistemas estelares binários, mas raramente ocorrem com tanta intensidade e tão perto de nós – a apenas 8.800 anos-luz da Terra. O sistema binário foi nomeado em homenagem à missão Swift Gamma-ray Burst, que inicialmente detectou a explosão com seu Telescópio de Alerta de Explosão em 24 de agosto de 2023, resultando na descoberta do buraco negro.

Sistemas binários de raios-X normalmente incluem duas estrelas de proximidade próxima em diferentes estágios de seu ciclo de vida. Quando a estrela mais velha fica sem combustível, ela explode em uma supernova, deixando para trás uma estrela de nêutrons, uma anã branca ou um buraco negro. No caso do Swift J1727, a poderosa gravidade do buraco negro resultante arrancou material de sua estrela companheira, aquecendo o material a mais de 1,8 milhão de graus Fahrenheit (aproximadamente 1 milhão de graus Celsius) e produzindo uma vasta efusão de raios-X. Essa matéria formou um disco de acreção e pode incluir uma coroa superaquecida. Nos polos do buraco negro, a matéria também pode escapar do sistema binário na forma de jatos relativísticos.

O IXPE, que ajudou a NASA e os pesquisadores a estudar todos esses fenômenos, é especializado em polarização de raios-X, a característica da luz que ajuda a mapear a forma e a estrutura de fontes de energia tão poderosas, iluminando seu funcionamento interno mesmo quando estão muito distantes para serem vistas diretamente.

“Como a própria luz não pode escapar de sua gravidade, não podemos ver buracos negros”, disse Veledina. “Só podemos observar o que acontece ao seu redor e tirar conclusões sobre os mecanismos e processos que ocorrem lá. O IXPE é crucial para esse trabalho.”

Dois dos estudos baseados no IXPE de Swift J1727, liderados por Veledina e Adam Ingram, pesquisador da Newcastle University em Newcastle-upon-Tyne, na Inglaterra, focaram nas primeiras fases da explosão. Durante o curto período de meses em que a fonte ficou excepcionalmente brilhante, a coroa foi a principal fonte de radiação de raios-X observada.

“O IXPE documentou a polarização da radiação de raios-X viajando ao longo da direção estimada do jato do buraco negro, portanto, o plasma quente é estendido no plano do disco de acreção”, disse Veledina. “Descobertas semelhantes foram relatadas no sistema binário de buracos negros persistente Cygnus X-1, então essa descoberta ajuda a verificar se a geometria é a mesma entre sistemas eruptivos de curta duração.”

A equipe monitorou ainda como os valores de polarização mudaram durante o pico da explosão do Swift J1727. Essas conclusões coincidiram com as descobertas obtidas simultaneamente durante estudos de outras faixas de energia da radiação eletromagnética.

Um terceiro e um quarto estudo, liderados pelos pesquisadores Jiří Svoboda e Jakub Podgorný, ambos da Academia Checa de Ciências em Praga, focaram na polarização de raios-X na segunda parte da explosão do Swift J1727 e seu retorno a um estado altamente energético vários meses depois. Pelos esforços anteriores de Podgorný usando dados do IXPE e simulações de buracos negros, ele recebeu recentemente o principal prêmio nacional da República Checa para uma tese de doutorado em ciências naturais.

Os dados de polarização indicaram que a geometria da coroa não mudou significativamente entre o início e o fim da explosão, embora o sistema tenha evoluído nesse meio tempo e o brilho de raios-X tenha diminuído drasticamente no estado energético posterior.

Os resultados representam um avanço significativo em nossa compreensão das formas e estruturas em mudança do disco de acreção, coroa e estruturas relacionadas em buracos negros em geral. O estudo também demonstra o valor do IXPE como uma ferramenta para determinar como todos esses elementos do sistema estão conectados, bem como seu potencial para colaborar com outros observatórios para monitorar mudanças súbitas e dramáticas no cosmos.

“São necessárias mais observações de matéria próxima a buracos negros em sistemas binários, mas a primeira campanha de observação bem-sucedida do Swift J1727.8–1613 em diferentes estados é o melhor começo de um novo capítulo que poderíamos imaginar”, disse Michal Dovčiak, coautor da série de artigos e líder do grupo de trabalho do IXPE sobre buracos negros de massa estelar, que também conduz pesquisas na Academia Checa de Ciências.

Mais sobre o IXPE

O IXPE, que continua a fornecer dados sem precedentes que permitem descobertas inovadoras sobre objetos celestes em todo o universo, é uma missão conjunta da NASA e da Agência Espacial Italiana, com parceiros e colaboradores científicos em 12 países. O IXPE é liderado pelo Marshall Space Flight Center da NASA em Huntsville, Alabama. A Ball Aerospace, com sede em Broomfield, Colorado, gerencia as operações da espaçonave juntamente com o Laboratório de Física Atmosférica e Espacial da Universidade do Colorado em Boulder.