O céu inteiro está cheio de um brilho difuso e de alta energia: o fundo cósmico dos raios-X. Nos últimos anos, os astrônomos puderam mostrar que essa radiação pode ser quase completamente associada a objetos individuais. Da mesma forma, Galileu Galilei, no início do século XVII, transformou a luz da Via Láctea em estrelas individuais. O fundo dos raios X se origina em centenas de milhões de buracos negros supermassivos, que se alimentam da matéria nos centros de sistemas distantes de galáxias. Como os Buracos Negros estão acumulando massa, os observamos no fundo dos raios X durante sua fase de crescimento. No universo de hoje, buracos negros maciços são encontrados nos centros de praticamente todas as galáxias próximas.
Quando a matéria desce pelo abismo de um buraco negro, ela acelera ao redor do turbilhão cósmico quase com a velocidade da luz e é aquecida com tanta força que emite seu "último grito de ajuda" na forma de radiação de alta energia, antes de desaparece para sempre. Portanto, os buracos negros supostamente invisíveis estão entre os objetos mais luminosos do universo, se forem alimentados bem nos centros das chamadas galáxias ativas. Os elementos químicos da substância emitem raios X com um comprimento de onda característico e, portanto, podem ser identificados através de suas impressões digitais espectrais. Os átomos do elemento ferro são uma ferramenta de diagnóstico particularmente útil, porque esse metal é mais abundante no cosmos e irradia mais intensamente em altas temperaturas.
De maneira semelhante às armadilhas de radar, com as quais a polícia identifica carros velozes, as velocidades relativísticas dos átomos de ferro que circundam o Buraco Negro podem ser medidas através de uma mudança no comprimento de onda de sua luz. Através de uma combinação dos efeitos previstos pela teoria da relatividade geral e especial de Einstein, no entanto, um perfil de linha assimétrico caracteristicamente ampliado, ou seja, uma impressão digital borrada é esperada na luz de raios-X da Black Holes. A relatividade especial postula que os relógios em movimento são lentos e a relatividade geral prevê que os relógios são lentos nas proximidades de grandes massas. Ambos os efeitos levam a uma mudança da luz emitida pelos átomos de ferro para a parte do comprimento de onda mais longa do espectro eletromagnético. No entanto, se observarmos o assunto circulando no chamado “disco de acreção” (Fig. 1) lateralmente, a luz dos átomos que correm em nossa direção aparece deslocada para comprimentos de onda mais curtos e muito mais brilhantes do que os que se afastam de nós. Esses efeitos da relatividade são mais fortes, quanto mais a matéria se aproxima do buraco negro. Por causa do espaço-tempo curvo, eles são mais fortes em buracos negros de rotação rápida. Nos últimos anos, medições de linhas de ferro relativísticas foram possíveis em algumas galáxias próximas - pela primeira vez em 1995 com o satélite japonês ASCA.
Agora, os pesquisadores de Gönther Hasinger, do Instituto Max-Planck de Física Extraterrestre, juntamente com o grupo de Xavier Barcons, do Instituto Espanhol de Física da Cantábria, em Santander, e Andy Fabian, do Instituto de Astronomia de Cambridge, Reino Unido. descobriram a impressão digital manchada relativisticamente de átomos de ferro na luz média de raios-X de cerca de 100 buracos negros distantes do fundo de raios-X (Fig. 2). Os astrofísicos utilizaram o observatório de raios X XMM-Newton da Agência Espacial Européia ESA. Eles apontaram o instrumento para um campo na constelação da Ursa Maior por mais de 500 horas e descobriram várias centenas de fontes de raios-X fracas.
Por causa da expansão do Universo, as galáxias se afastam de nós com uma velocidade crescente com a distância e, portanto, todas as linhas espectrais aparecem em diferentes comprimentos de onda; os astrônomos primeiro tiveram que corrigir a luz de raios-X de todos os objetos no quadro restante da Via Láctea. As medidas de distância necessárias para mais de 100 objetos foram obtidas com o telescópio americano Keck. Depois de co-adicionar a luz de todos os objetos, os pesquisadores ficaram muito surpresos com o sinal inesperadamente grande e com a forma caracteristicamente ampliada da linha de ferro.
Pela força do sinal, eles deduziram a fração de átomos de ferro na matéria acumulada. Surpreendentemente, a abundância química de ferro na “nutrição” desses buracos negros relativamente jovens é cerca de três vezes maior que em nosso sistema solar, que foi criado significativamente mais tarde. Os centros de galáxias no início do Universo, portanto, devem ter um método particularmente eficiente para produzir ferro, possivelmente porque a atividade violenta de formação de estrelas "gera" os elementos químicos rapidamente nas galáxias ativas. A largura da linha indicava que os átomos de ferro devem irradiar bastante perto do buraco negro, consistente com os buracos negros que giram rapidamente. Essa conclusão também é encontrada indiretamente por outros grupos, que compararam a energia no fundo dos raios-X com a massa total de buracos negros “adormecidos” em galáxias próximas.
Fonte original: Comunicado de imprensa da Sociedade Max Planck
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