Investigando a formação de buracos negros

Título: Populating the Low-mass End of the MBH-Mσ∗ Relation

Autores: Vivienne Baldassare, Claire Dickey, Marla Geha, Amy Reines

Instituição do primeiro autor: Yale University, Department of Astronomy, New Haven, EUA

Status: Aceito pela Astrophysical Journal Letters, livre acesso no arXiv

Acredita-se que galáxias anãs sejam cápsulas do tempo, mas em vez de registros antigos, acredita-se que preservem as sementes dos buracos negros formados no início do Universo. Isso ocorre porque a maioria das galáxias anãs detectadas no Universo próximo não mostram sinais de interação com suas vizinhas galácticas, deixando essas coleções de gás, poeira e estrelas em baixa massa para evoluir isoladamente. Sem a contaminação de outras galáxias, os astrônomos podem tratar essas galáxias anãs como regiões intocadas do passado do Universo. Portanto, ao analisar a distribuição e as massas dos buracos negros nessas galáxias anãs, os astrônomos podem esperar lançar alguma luz sobre como eles se formaram.

Dois mecanismos de formação dominam a discussão: ou os buracos negros se formaram a partir do colapso das primeiras gerações de estrelas, conhecidas como população III, ou eles se formaram a partir do colapso direto de gás e poeira. Se o primeiro mecanismo dominar, esperaríamos encontrar um grande número de buracos negros de baixa massa, enquanto o último mecanismo deve produzir um número muito menor de sementes de maior massa. Infelizmente, as galáxias anãs são muito menos brilhantes do que suas contrapartes de maior massa, portanto, são difíceis de detectar. Os buracos negros, muitas vezes invisíveis, constituem um desafio ainda maior.

Uma forma mais fácil de detectá-los é esperar que o buraco negro acrete material e emita grandes quantidades de radiação, fenômeno conhecido como núcleo galáctico ativo (AGN). Na última década, houve um grande aumento no número de AGN detectados em galáxias anãs. Os autores de hoje pretendem colocar alguns desses AGN em uma relação muito conhecida, entre a massa do buraco negro e dispersão de velocidade das estrelas, para tentar obter uma visão de como os buracos negros podem ter se formado no início do Universo.

Encontrando os AGN

O trabalho anterior em que os autores se baseiam usa galáxias do atlas NASA-Sloan e identifica qualquer AGN nele usando o diagrama BPT (nomeado após seus criadores Baldwin, Phillips & Terlevich). Esta técnica compara a razão de dois pares de linhas de emissão óptica para determinar se o espectro da galáxia hospedeira é dominado por AGN, processos de formação de estrelas ou é um composto de ambos. Além disso, os objetos também deveriam ter detecções de linha larga de Hα, pois são usadas ​​para calcular a massa virial do buraco negro. Aspectos da emissão de Hα descrevem o comportamento da região de linhas largas (BLR), uma região interna altamente ionizada de uma galáxia que hospeda um AGN. Medidas de luminosidade e largura à meia altura da linha de Hα podem ser usadas para inferir o raio da BLR e a velocidade de seu material. Com esses dados, os autores podem calcular a massa do buraco negro. A partir desses critérios, os autores identificaram 8 objetos com linha larga de Hα e os classificaram ou como compostos ou AGN pelo diagrama BPT.

Embora a dispersão de velocidade possa ser medida a partir da linha larga de Hα, é importante que essa quantidade seja independente da massa do buraco negro. Assim, para cada um desses AGN, os autores usaram o espectrógrafo Keck II Echellette para medir o tripleto Mg Ib e, quando possível, o tripleto Ca II. Onde ambas as linhas estavam disponíveis, a dispersão de velocidade geral foi calculada usando a média de ambas as medidas. Infelizmente, algumas galáxias tem redshifts que causam contaminação significativa nos comprimentos de onda do Ca II, então quando a dispersão de velocidade do Ca não estava disponível, o valor de Mg Ib foi usado.

Quão baixo você pode co-evoluir?

O artigo de hoje dobrou o número de buracos negros em galáxias anãs plotados na relação entre massa e dispersão de velocidade. A Figura 1 mostra os resultados de suas medidas e os compara com vários outros em outros intervalos de massa. É bastante surpreendente que todos os AGN identificados na amostra sejam consistentes com as relações traçadas. Encontrar buracos negros de baixa massa que se situam nessas relações pode ajudar a estender a faixa de massa sobre a qual acreditamos que os buracos negros e suas galáxias hospedeiras interagem diretamente. Os resultados de hoje mostram mais evidências sugerindo que os buracos negros em galáxias anãs interagem de maneiras semelhantes. Com esse conhecimento, os astrônomos podem entender melhor como os buracos negros em todo o espectro de massa crescem e interagem com suas galáxias hospedeiras.

Figura 1: Massa do buraco negro contra dispersão de velocidade para galáxias em todo o espectro de massa. As duas linhas representam ajustes para diferentes amostras de galáxias: a linha sólida é para galáxias com bojos, a linha tracejada é para AGN de linha larga.

Embora este seja um resultado importante, os autores de hoje também estavam interessados no que as massas dos buracos negros podem nos dizer sobre como se formaram no início do universo. Se o colapso estelar dominasse, então os autores esperariam que os buracos negros fossem menos massivos e traçassem uma inclinação mais íngreme no gráfico da Figura 1. Por outro lado, se o colapso direto dominasse, então eles esperariam que os buracos negros fossem excessivamente massivos e traçassem uma curva mais plana. Infelizmente, o fato de que essas massas são todas consistentes com as relações traçadas não fornece uma resposta definitiva para qual mecanismo é mais provável.

No entanto, os autores tentam tirar algumas conclusões do único buraco negro (azul, ponto de dados quadrado) na parte inferior da Figura 1 e do fato de que seus buracos negros foram todos encontrados porque eram AGN. Como foi mencionado anteriormente, os AGN são buracos negros que acretam material a uma taxa elevada, o que não apenas faz com que os buracos negros emitam radiação, mas também aumentem sua massa. Por causa desse acréscimo, os autores acreditam que suas detecções podem ser buracos negros mais massivos em relação ao resto da população de galáxias anãs. O buraco negro de massa extremamente baixa na parte inferior da Figura 1, entretanto, não é um AGN. Portanto, os autores argumentam que esse buraco é mais representativo da população de buracos negros da galáxia anã. Se esta suposição estiver correta, ela apontaria para o colapso estelar como o mecanismo de formação favorecido no início do Universo. Embora este seja um argumento interessante, ainda é um tanto especulativo. Antes de podermos tirar conclusões fortes sobre como os buracos negros se formaram no início do Universo, várias outras medidas precisarão ser feitas para determinar se essas massas extremamente baixas dos buracos negros são a exceção ou a regra.


Adaptado de Investigating Black Hole Formation, escrito por Keir Birchall.

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