No centro de muitas galáxias existem buracos negros supermassivos que podem acumular milhões ou bilhões de vezes a massa do Sol.
Quando estão ativos e absorvendo matéria, alguns desses objetos produzem enormes jatos de plasma que atravessam suas galáxias e podem se estender muito além das estrelas visíveis.
Agora, astrônomos encontraram evidências de que esses jatos deixam uma assinatura clara até mesmo no enorme reservatório de gás que envolve as galáxias.
Ao combinar observações ópticas do DESI com dados de rádio do levantamento LoTSS, pesquisadores detectaram emissão de hidrogênio ionizado preferencialmente na mesma direção dos jatos.
O resultado mostra que a influência de um núcleo galáctico ativo não termina nas regiões centrais de sua galáxia.
Ela pode alcançar o chamado meio circungaláctico, o gigantesco reservatório de gás que envolve a região onde se concentra a maior parte das estrelas.
O estudo, liderado por Namrata Roy, atualmente no Instituto de Pesquisa Raman, e Sanchayeeta Borthakur, da Universidade Estadual do Arizona, foi publicado no The Astrophysical Journal Letters.
Uma galáxia não termina onde suas estrelas deixam de ser facilmente visíveis.
Ao redor dela existe uma vasta quantidade de gás extremamente difuso conhecida como meio circungaláctico.
Esse material pode se estender por centenas de milhares de anos-luz e desempenha um papel fundamental na evolução das galáxias.
Parte desse gás pode esfriar e alimentar a formação de novas estrelas. Ao mesmo tempo, matéria e energia produzidas dentro da galáxia também podem ser lançadas de volta para esse ambiente.
Existe, portanto, uma circulação constante entre a galáxia e seus arredores.
É justamente por isso que existe uma questão importante: o que impede todo esse gás disponível de simplesmente esfriar e produzir muito mais estrelas?
Um dos mecanismos considerados há décadas é a chamada retroalimentação de núcleos galácticos ativos.
A energia liberada nas proximidades de um buraco negro supermassivo pode alterar o gás da galáxia e de seus arredores, dificultando seu resfriamento e, consequentemente, regulando a formação de estrelas.
Mas entender exatamente como essa energia consegue alcançar regiões tão distantes continua sendo um grande problema da evolução galáctica.
O novo estudo encontrou uma assinatura observacional direta dessa interação no meio circungaláctico.
Os pesquisadores concentraram sua análise em galáxias com núcleos ativos que produzem jatos detectáveis em ondas de rádio.
Para identificar esses jatos, utilizaram o LOFAR Two-metre Sky Survey, ou LoTSS, um grande levantamento do céu em frequências de rádio.
Depois compararam a orientação desses jatos com observações espectroscópicas obtidas pelo Dark Energy Spectroscopic Instrument, o DESI.
O objetivo era procurar uma assinatura específica no gás: a emissão Hα, produzida por hidrogênio ionizado.
O sinal individual é extremamente fraco.
Em vez de tentar detectá-lo claramente ao redor de uma única galáxia, os pesquisadores combinaram estatisticamente centenas de observações.
E fizeram algo essencial: preservaram a informação sobre a direção dos jatos.
Quando os pesquisadores combinaram todas as direções ao redor das galáxias, praticamente nada apareceu.
Considerando as 324 linhas de visada da amostra sem levar em conta a orientação, a emissão permaneceu abaixo de uma significância de 2σ.
Mas o resultado mudou completamente quando eles selecionaram apenas as regiões alinhadas com os jatos.
Dentro de aproximadamente 20 graus do eixo projetado do jato de rádio, surgiu um forte excesso de emissão Hα.
A detecção ultrapassou 5σ de significância estatística.
Isso revelou uma característica fundamental.
A influência do jato sobre o meio circungaláctico não é igual em todas as direções.
Ela está concentrada ao longo de seu caminho.
A diferença é grande.
Nas regiões alinhadas aos jatos, o sinal Hα encontrado pelos pesquisadores é aproximadamente 100 vezes mais brilhante do que o observado normalmente nos halos de galáxias.
Isso indica que os jatos estão modificando significativamente as condições de uma parcela do gás existente em seu trajeto.
A emissão Hα pode aumentar se houver mudanças na densidade, pressão ou estado de ionização desse material.
Portanto, os dados mostram que o jato está efetivamente interagindo com pequenas regiões ou nuvens do meio circungaláctico.
O efeito também não aparece da mesma maneira em todas as distâncias.
Os pesquisadores encontraram uma estrutura radial no sinal.
A emissão Hα aparece particularmente forte logo além da região óptica da galáxia.
Depois, em distâncias maiores, o sinal volta a aumentar próximo da região projetada dos lóbulos de rádio, onde a energia transportada pelos jatos interage com o ambiente.
Isso fornece pistas sobre como a energia produzida nas proximidades de um buraco negro supermassivo consegue alcançar regiões tão distantes.
O buraco negro não está aquecendo diretamente todo o halo ao seu redor.
O jato funciona como um canal capaz de transportar energia para longe da região central.
E a assinatura encontrada no hidrogênio mostra onde parte dessa interação está acontecendo.
A equipe realizou ainda outro teste.
Além da emissão Hα, os pesquisadores procuraram uma assinatura produzida por magnésio ionizado, Mg II, utilizada para rastrear uma fase mais fria do gás circungaláctico.
Nesse caso, o comportamento foi completamente diferente.
A absorção de Mg II não apresentou uma diferença significativa entre as regiões alinhadas aos jatos e aquelas localizadas fora de seus eixos.
As larguras equivalentes, densidades colunares e larguras das linhas também permaneceram amplamente semelhantes.
Isso é particularmente importante.
O resultado indica que não existe simplesmente muito mais gás frio na direção dos jatos.
O reservatório de gás frio parece estar distribuído de maneira muito mais ampla ao redor das galáxias.
O que muda é o estado de parte desse material quando o jato passa por ele.
A combinação dos dois resultados permite construir uma interpretação mais precisa.
O Mg II mostra um meio circungaláctico frio e irregular distribuído ao redor da galáxia.
O Hα, por outro lado, revela pequenas regiões cujo estado físico foi intensamente alterado ao longo do caminho dos jatos.
Segundo os pesquisadores, essas nuvens podem ter experimentado um grande aumento em sua densidade, pressão ou nível de ionização devido à propagação dos jatos.
Isso representa evidência observacional clara de uma interação localizada entre jatos de núcleos galácticos ativos e o meio circungaláctico.
É aqui que a descoberta se conecta a uma questão muito maior.
Para continuar formando estrelas, uma galáxia precisa de gás capaz de resfriar, condensar e eventualmente alcançar regiões onde novas estrelas possam nascer.
Se a energia de um núcleo galáctico ativo aquece, comprime, agita ou ioniza esse reservatório, ela pode modificar a capacidade do material de posteriormente alimentar a galáxia.
Esse processo é uma das maneiras pelas quais os astrônomos tentam explicar por que algumas galáxias reduzem drasticamente sua formação estelar apesar de estarem cercadas por grandes quantidades de matéria.
O novo estudo não acompanhou diretamente esse gás até uma redução posterior na formação de estrelas.
O que ele mostra é uma etapa anterior e fundamental: os jatos realmente conseguem alterar as condições físicas do gás circungaláctico e deixar uma assinatura observável a grandes distâncias.
Portanto, o resultado fornece uma ligação observacional importante entre a atividade do buraco negro central e o reservatório de matéria que participa da evolução futura da galáxia.
Parte da resposta está na direção.
Se os pesquisadores simplesmente combinassem as observações supondo que o gás fosse afetado igualmente ao redor das galáxias, o sinal praticamente desapareceria.
Foi exatamente o que aconteceu quando todas as direções foram consideradas juntas.
O excesso de Hα tornou-se evidente apenas quando as observações foram organizadas em relação ao eixo dos jatos.
Isso significa que estudos anteriores podem ter diluído uma assinatura semelhante ao combinar regiões afetadas e não afetadas.
O novo resultado mostra que a geometria precisa ser levada em consideração ao procurar sinais da interação entre jatos e o meio circungaláctico.
A descoberta também mostra o que pode ser feito quando enormes levantamentos astronômicos são combinados.
O LoTSS forneceu informações sobre a estrutura e a orientação dos jatos em ondas de rádio.
O DESI forneceu os espectros necessários para procurar o sinal extremamente tênue do gás.
Nenhuma observação individual seria suficiente para revelar claramente o fenômeno.
Ao combinar centenas de linhas de visada, entretanto, o sinal coletivo apareceu.
Essa estratégia abre uma nova possibilidade para estudar como a atividade dos buracos negros influencia o gás localizado muito além das regiões centrais das galáxias.
Um buraco negro supermassivo ocupa uma região minúscula quando comparada à escala de sua galáxia e de todo o meio circungaláctico.
Mesmo assim, processos que acontecem em suas proximidades conseguem lançar jatos que transportam energia por distâncias enormes.
O novo estudo mostra diretamente que essa energia não simplesmente atravessa o espaço sem consequências.
Ao longo de seu caminho, os jatos alteram o estado de parte do gás que envolve suas galáxias hospedeiras.
Ainda será necessário determinar em detalhes quanto essa interação modifica o resfriamento do gás e qual é seu efeito final sobre a formação de novas estrelas.
Mas agora os astrônomos têm uma assinatura observacional que permite investigar essa conexão.
O efeito de um buraco negro pode começar em uma região extremamente pequena no centro de uma galáxia.
Seus jatos, entretanto, conseguem deixar marcas centenas de milhares de anos-luz além dela.
Sobre a Imagem: Ilustração artística de um buraco negro supermassivo no centro de uma radiogaláxia, lançando jatos poderosos (mostrados em rosa) até o meio circun-galáctico (CGM) da galáxia. O estudo revela que esses jatos não iluminam o gás circundante igualmente em todas as direções. Em vez disso, o gás hidrogênio brilha (mostrado em vermelho) com maior intensidade ao longo da trajetória dos jatos de rádio. Isso sugere que os buracos negros podem enviar energia muito além do centro da galáxia e moldar o reservatório de gás maior que regula a formação estelar e o destino das galáxias. Utilizamos dados ópticos do levantamento DESI e observações de rádio do LOFAR Two meter Sky Survey (LoTss).
Créditos da Imagem: Hailey Nelson/Universidade Estadual do Arizona.
Artigo Ciêntifico: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ae9cbd