A rotação de um buraco negro supermassivo medida através de um banquete estelar

Um banquete consumido por um buraco negro supermassivo, a mil milhões de anos-luz da Terra, revelou a velocidade a que esse buraco negro roda em torno do seu eixo.

Uma equipa liderada pelo astrofísico Dheeraj Pasham, do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), afirma que as variações no clarão de luz, à medida que o buraco negro despertou e se alimentou, foram produzidas por um disco de matéria que girava e oscilava. Essa oscilação permitiu determinar a velocidade de rotação do buraco negro no seu centro.

É a primeira vez que os cientistas conseguem calcular a velocidade de rotação de um buraco negro a partir do seu disco de acreção oscilante, disponibilizando uma nova ferramenta para compreender os objetos mais estranhos e densos conhecidos no Universo.

O disco de acreção de um buraco negro supermassivo

A que velocidade rodava? A menos de 25 % da velocidade da luz. Para um buraco negro, trata-se de uma rotação bastante lenta. Isoladamente, não é um valor extraordinariamente útil, mas as implicações de ser possível medi-lo são bastante entusiasmantes.

"Ao estudarmos vários sistemas nos próximos anos com este método", afirma Pasham, "os astrónomos poderão estimar a distribuição global das rotações dos buracos negros e compreender a questão antiga de como evoluem ao longo do tempo."

Os buracos negros supermassivos são os leviatãs escondidos nos centros das galáxias. Com massas entre milhões e milhares de milhões de vezes a massa do Sol, estes objetos gigantes são os polos gravitacionais que ajudam a manter as galáxias unidas e desempenham um papel relevante na sua evolução. Também exibem comportamentos muito diversos, desde estados inativos até períodos de intensa atividade, iluminando o espaço-tempo com alguns dos clarões mais brilhantes produzidos no Universo.

Essa luz não é emitida pelo próprio buraco negro: a sua densidade é tão elevada que a velocidade necessária para escapar à sua atração gravitacional supera a da luz no vácuo. Em vez disso, a luz provém do material que roda à sua volta enquanto é absorvido: um toro espesso que envolve um disco que alimenta o buraco negro, tal como a água a escoar por um ralo.

AT2020ocn e a destruição de uma estrela

Em 2020, os astrónomos observaram algo intrigante. Numa galáxia situada a cerca de mil milhões de anos-luz, um buraco negro até então inativo produziu subitamente um enorme clarão de luz, designado AT2020ocn. Os dados recolhidos por telescópios apontados para essa região do céu indicaram que a explicação mais provável era um evento de disrupção por marés - uma designação bastante asséptica para a violenta evisceração gravitacional, ou por marés, de uma estrela que passava nas proximidades de um buraco negro.

À medida que a estrela é desfeita, os seus restos dilacerados formam um disco incandescente em torno do buraco negro. Como a estrela pode aproximar-se do buraco negro a partir de qualquer direção, esse disco pode ficar desalinhado em relação à rotação do buraco negro. Isto pode gerar uma oscilação, ou precessão, enquanto o buraco negro o puxa para o alinhar com a sua rotação - de forma semelhante a um Disco de Euler a cair até se posicionar.

Uma vez que a oscilação e a rotação estão ligadas, foi teorizado que a primeira poderia servir para medir a segunda.

"Mas era essencial dispor das observações certas", diz Pasham. "A única forma de o fazer é, assim que ocorre um evento de disrupção por marés, apontar um telescópio para este objeto continuamente, durante muito tempo, para poder investigar todo o tipo de escalas temporais, de minutos a meses."

Dispomos de instrumentos que analisam o céu à procura de objetos que subitamente se tornam mais brilhantes, pelo que foi possível detetar o AT2020ocn suficientemente cedo. Depois, Pasham e os seus colegas continuaram a observar e a acompanhar a galáxia recém-iluminada, numa fase inicial do surto que lhes permitiu captar a precessão do disco antes de este estabilizar.

A rotação medida através da precessão

Os investigadores descobriram que, durante algum tempo, a galáxia emitia um clarão em raios X aproximadamente a cada 15 dias, antes de essa atividade diminuir, algo que associaram à precessão do disco. Ao combinarem este resultado com a massa estimada do buraco negro - cerca de 2,5 milhões de vezes a massa do Sol - conseguiram calcular a velocidade de rotação do buraco negro.

Por si só, estes dados apenas descrevem um buraco negro, mas a técnica é a componente verdadeiramente interessante. Os eventos de disrupção por marés ocorrem com frequência suficiente para que, caso seja possível detetá-los e monitorizá-los com instrumentos como o futuro Observatório Rubin, se possa elaborar um mapa da distribuição das diferentes rotações. Isso poderá ajudar a perceber melhor como os buracos negros se comportam e mudam ao longo do tempo.

"A rotação de um buraco negro supermassivo revela a história desse buraco negro", afirma Pasham. "Mesmo que uma pequena fração dos objetos captados pelo Rubin apresente este tipo de sinal, temos agora uma forma de medir as rotações de centenas de TDEs. Depois, poderíamos fazer uma afirmação importante sobre a evolução dos buracos negros ao longo da idade do Universo."

A investigação foi publicada na revista Nature.