O formato do disco de acreção ao redor de um buraco negro pode ser determinado pela polarização de sua emissão de raios X.

Uma equipe de astrônomos do Instituto Astronômico Sternberg da Universidade Estatal de Moscou, juntamente com colegas italianos, desenvolveu um método original para determinar a forma de discos de acreção ao redor de buracos negros em binárias de raios X e núcleos galácticos ativos, analisando o grau de polarização de sua emissão de raios X. Descobriu-se que a emissão de raios X dos discos de acreção é sensível à forma do disco e deve ser polarizada linearmente se o disco tiver um formato fino de "panqueca". Essas previsões teóricas foram confirmadas por observações: o método foi testado em várias binárias de raios X com buracos negros, bem como em uma galáxia Seyfert I.

Objetos cósmicos compactos, como buracos negros (BHs), permanecem misteriosos e essencialmente hipotéticos, apesar da descoberta de numerosos "candidatos a buraco negro" sobre os quais os astrofísicos têm poucas dúvidas (veja, por exemplo, a notícia " O Buraco Negro da Galáxia M87: Um Retrato Interior ", Elements, 14 de abril de 2019). Suas pesquisas levantam inúmeras questões que permanecem sem resposta. Por exemplo, não há uma compreensão clara do que ocorre na vizinhança imediata dos BHs. Especificamente, até recentemente, os cientistas só podiam fazer suposições teóricas sobre a forma dos discos de matéria que caem nos BHs (veja o problema "Acreção de Disco "). Várias teorias sobre a estrutura dos discos de acreção foram propostas décadas atrás, mas ainda faltavam dados experimentais que permitissem determinar qual melhor descreve a realidade. Essa situação mudou após o lançamento do telescópio espacial Imaging X-ray Polarimetry Explorer ( IXPE ), que ajudou os cientistas a obter dados que podem revolucionar os livros didáticos de astrofísica.

Existem três formatos principais possíveis para um disco de acreção: um "cilindro", uma "esfera" e uma "panqueca" fina e plana (Fig. 2). Os primeiros cálculos de astrofísicos soviéticos na década de 1970 sugeriram um formato plano, mas era impossível verificar essa suposição na época: telescópios e métodos de análise de dados eram limitados em sua capacidade de penetrar tão profundamente nas proximidades de buracos negros.

Observações de buracos negros conduzidas com o IXPE confirmaram o que os cientistas até então apenas suspeitavam: a emissão de raios X de discos de acreção é polarizada . Além disso, sua polarização é linear e depende da espessura óptica do disco, bem como de sua orientação espacial. Esta última foi prevista pelos físicos soviéticos R. Sunyaev e L. Titarchuk em 1985, com base em cálculos teóricos em estrita conformidade com a teoria relativística de transferência radiativa (R. Sunyaev, L. Titarchuk, 1985. Comptonização da radiação de baixa frequência em discos de acreção: distribuição angular e polarização da radiação forte ).

Agora, cientistas da MSU verificaram a relação proposta anteriormente entre o grau de polarização, a espessura óptica e o ângulo entre o plano do disco e a direção do observador, usando uma ampla gama de medições polarimétricas e observações espectrais síncronas conduzidas pelos telescópios espaciais NICER , NuSTAR e Swift . É importante ressaltar que a confirmação da relação entre polarização, espessura do disco e sua orientação confirma imediatamente o formato do disco de acreção: ele é "plano"! Mas vamos começar pelo princípio.

Em 1973, N. Shakura e R. Sunyaev apresentaram uma ideia pioneira sobre como a emissão de raios X se forma em sistemas binários compostos por uma estrela normal e um objeto compacto (por exemplo, um buraco negro, Figura 3). Essa ideia é agora amplamente aceita pela comunidade astronômica global. A essência reside na liberação de quanta de raios X durante a formação de um disco de acreção ao redor do buraco negro, levando em consideração a viscosidade da matéria que flui da estrela doadora para o buraco negro (N. Shakura, R. Sunyaev, 1973. Buracos negros em sistemas binários. Aspecto observacional ). O disco de acreção é um gigantesco "redemoinho" ou "rosquinha" de gás quente e poeira cósmica que se forma quando a matéria da estrela é puxada pela gravidade colossal do buraco negro. Essa matéria não cai diretamente no buraco negro, mas gira em torno dele, acelerando a velocidades enormes e aquecendo até milhões de graus. É a principal fonte de informações sobre buracos negros, e os astrônomos podem usar sua luz brilhante para estudar suas propriedades.

O primeiro a concluir que a polarização da radiação poderia ser observada em sistemas binários foi feito por Chandrasekhar em 1946 (S. Chandrasekhar, 1946. On the Radiative Equilibrium of a Stellar Atmosphere ). Ele mostrou que em uma atmosfera de espalhamento de elétrons plano-paralela, a transferência radiativa leva à sua polarização. No entanto, a solução de Chandrasekhar foi planejada para espalhamento puro em uma atmosfera semi-infinita e ainda não levou em consideração a geometria do disco e o espalhamento da radiação com a aquisição de energia do fóton (ou seja, Comptonização). R. Sunyaev e L. Titarchuk (no artigo de 1985 acima mencionado) foram os primeiros a calcular a distribuição angular e espacial da radiação espalhada (ao longo de um tempo maior que o tempo médio) para qualquer profundidade óptica.

A polarização da radiação depende da temperatura do disco de acreção e do grau de ionização do seu plasma. Além disso, o estado de ionização também depende da densidade. De fato, um disco de acreção clássico emite radiação característica de um corpo negro perfeito (N. Shakura, R. Sunyaev, 1973. Buracos negros em sistemas binários. Aparência observacional ). Essa radiação é repetidamente espalhada na nuvem quente de Compton , e somente essa radiação é espalhada para energias de 2–8 keV (essa é precisamente a faixa na qual o IXPE mede a polarização). Ou seja, é essa radiação que sofre comptonização após reflexão da superfície plana do disco e é sensível aos parâmetros físicos do disco (Fig. 3).

O que acontece dentro do disco? A polarização da radiação de raios X é possível lá? Dentro do disco, toda a radiação está em equilíbrio térmico e não é espalhada, mas se um fóton de corpo negro for emitido, ele é imediatamente absorvido (ver G. Rybicki, A. Lightman, 1979. Radiative Processes in Astrophysics ). Mas na nuvem quente de Compton, os fótons de corpo negro são de fato espalhados, ganhando energia.

Como mencionado no início deste texto, o formato do disco de acreção tem sido objeto de debate entre astrofísicos há muito tempo. De acordo com várias fontes, ele pode ser esferoidal, plano ou lenticular (convexo ou côncavo). Isso se deve, em parte, a observações ópticas da polarização da radiação de raios X de galáxias nas quais discos de acreção se formam ao redor de buracos negros supermassivos. No entanto, essas observações não nos permitiram entender onde a polarização da radiação de raios X realmente ocorre (no bojo , no disco ou em alguma parte do disco) ou o formato do "polarizador" principal. Descobriu-se que as partes externas do disco, em certo sentido, têm vida própria e não participam ativamente da polarização.

Curiosamente, modelos anteriores, que utilizavam uma aproximação bastante rudimentar, tratavam o disco como um cilindro com limites superior e inferior planos (um disco "plano"). Isso ocorre porque a matéria em rotação que cai sobre um objeto central (por exemplo, um buraco negro) forma um disco alongado no plano de rotação, sob a influência da força centrípeta e das forças de maré (esta questão é discutida em detalhes no problema do Universo "Plano" ).

Como demonstrado por R. Sunyaev e L. Titarchuk (no mesmo artigo de 1985), a polarização da emissão de raios X de um sistema binário ocorre apenas na parte interna do disco (na nuvem Compton, CC) — onde ocorre a interação da radiação "fria" com elétrons quentes. Além disso, o grau de polarização depende do estado espectral do buraco negro: é maior em um estado de alta luminosidade com um espectro suave e menor em um estado de baixa luminosidade com um espectro rígido (Fig. 4; os estados espectrais são discutidos em detalhes no artigo " Assinaturas Espectrais que Distinguem Sistemas Binários de Raios X com Buracos Negros e Estrelas de Nêutrons" ).

A comparação de cálculos teóricos com dados observacionais para uma série de sistemas binários de raios X e núcleos galácticos ativos confirmou a correção da abordagem descrita e também trouxe certeza à diversidade de modelos de formato de disco propostos anteriormente, deixando apenas o “disco plano”.

De fato, uma simples comparação do grau de polarização \(P\) medido com IXPE, plotado ao longo do eixo vertical (Fig. 5, à esquerda), e o ângulo de inclinação do disco \(i\) (mais precisamente, \(cos i\)), plotado ao longo do eixo horizontal (este ângulo é conhecido a partir de observações), para vários sistemas binários de raios X com BHs, mostrou que a interseção dessas grandezas está no gráfico (curvas verde-escuras) de acordo com a teoria para o caso de discos planos . E não há interseções fora das curvas calculadas teoricamente. Além disso, cada uma das curvas, acompanhada pelo valor da profundidade óptica, novamente concorda exatamente com a previsão teórica para o caso de um disco plano. Isso significa que todos esses discos são planos!

Os resultados obtidos, embora previstos há 40 anos e posteriormente "deixados de lado" devido à impossibilidade de verificar observacionalmente o efeito da polarização, revelaram-se inesperados. Eles precisarão ser levados em consideração — o que, sem dúvida, levará à revisão de muitos modelos de discos de acreção devido a possíveis discrepâncias com os dados observacionais. Graças aos resultados descritos, os astrofísicos agora podem verificar o grau de polarização ao calcular os parâmetros dos modelos de emissão de raios X. O IXPE revelou os segredos da polarização e as características não apenas de buracos negros de massa estelar, mas também de buracos negros supermassivos, cuja radiação também foi polarizada linearmente durante a comptonização no plasma quente de um disco de acreção plano. A dependência do grau de polarização dos buracos negros supermassivos em relação à orientação espacial do disco foi confirmada.

Em resumo, a teoria de longa data ganhou uma base experimental sólida, e o trabalho em discussão não apenas confirma antigas conjecturas, mas também abre uma nova maneira de estudar os objetos mais extremos do Universo.

Fonte: Lev Titarchuk, Paolo Soffitta, Elena Seifina, Enrico Costa, Fabio Muleri, Romana Mikusincova. Previsão da polarização linear de raios X em binários de buracos negros e núcleos galácticos ativos e suas medições pelo IXPE // Astronomia e Astrofísica . 2025. DOI: 10.1051/0004-6361/202554834.

Elena Seyfina