XRISM deteta fluxo interno quente que poderá alimentar o poderoso jato de um buraco negro

Um buraco negro que se alimenta rapidamente revela uma fronteira interna crucial

Um buraco negro supermassivo situado a cerca de 420 milhões de anos-luz poderá dever o seu poderoso jato a uma alteração na forma e na temperatura da matéria que cai na sua direção. As observações da galáxia 3C 120 indicam que o seu disco relativamente frio e plano termina antes de chegar ao buraco negro, deixando uma região interna preenchida por plasma muito mais quente, onde se poderão concentrar campos magnéticos intensos.

Uma equipa liderada pelo professor associado Hirofumi Noda, da Universidade de Tohoku, e pelo professor associado Kazuhiro Hada, da Universidade Municipal de Nagoya, combinou observações da missão japonesa de imagiologia e espectroscopia de raios X, conhecida como XRISM, com medições de três redes internacionais de radiotelescópios. Em conjunto, os instrumentos permitiram relacionar a estrutura da matéria em aproximação com o estreito jato que emerge nas proximidades do buraco negro.

As conclusões, publicadas na revista The Astrophysical Journal Letters a 19 de outubro de 2026, abordam um enigma: como pode um buraco negro consumir matéria rapidamente e, ao mesmo tempo, lançar um poderoso fluxo de plasma a uma velocidade quase igual à da luz? Considerava-se que o tipo de disco esperado durante uma alimentação rápida não era adequado para acumular os campos magnéticos necessários a esse processo.

O comunicado de investigação da Universidade de Tohoku, divulgado a 20 de outubro, descreve uma possível resposta. O disco exterior, mais frio, dá lugar a um fluxo interno quente, criando condições para que os campos magnéticos possam extrair energia da rotação do buraco negro e canalizá-la para um jato.

Porque é que 3C 120 é um enigma

3C 120 situa-se na direção da constelação do Touro. O seu buraco negro central tem uma massa equivalente a cerca de 60 milhões de Sóis e consome rapidamente a matéria circundante, ao mesmo tempo que produz um poderoso jato. Esta combinação torna-o um alvo útil para investigar a relação entre a alimentação do buraco negro e a produção de jatos.

A matéria que se aproxima de um buraco negro tem, geralmente, algum movimento lateral, pelo que gira para dentro em vez de cair a direito. Acumula-se num disco de acreção, onde a fricção e outros processos aquecem o material até este emitir luz e outras formas de radiação. Os astrónomos estudam essa radiação para compreender uma região que não conseguem observar diretamente.

Em geral, espera-se que uma alimentação rápida produza um disco relativamente frio e geometricamente fino, que se estende até perto do buraco negro. Neste contexto, «frio» é uma comparação com o plasma muito mais quente junto ao centro. Um disco fino tem uma espessura vertical reduzida em relação à sua largura, à semelhança de uma folha achatada.

A dificuldade está no magnetismo. Uma das principais explicações para os jatos poderosos exige campos magnéticos intensos nas proximidades de um buraco negro em rotação. Pensa-se que um disco fino tem dificuldade em manter a estrutura de campo necessária. Um fluxo interno mais quente e espesso oferece condições mais favoráveis, pelo que o local onde o disco muda de forma se tornou central para a investigação.

XRISM analisa o disco através do ferro

O XRISM, uma missão da Agência Japonesa de Exploração Aeroespacial, detetou raios X emitidos pelo ferro presente no material em torno do buraco negro de 3C 120. O ferro emite radiação em energias características, criando uma assinatura reconhecível, chamada linha de emissão, num espectro de raios X. Um espectro separa a radiação de acordo com a sua energia.

A linha do ferro altera-se nas proximidades de um buraco negro. O movimento do material na direção de um observador ou no sentido oposto desloca a energia da radiação que este recebe. A forte gravidade junto ao buraco negro também altera a energia dos raios X que escapam. Em conjunto, estes efeitos alargam e distorcem a linha.

Os investigadores usaram essa distorção para estimar até onde se estende, em direção ao centro, o disco relativamente frio. Segundo a universidade, o seu limite interno situa-se a cerca de 20 vezes o raio do buraco negro. A descrição científica exprime essa fronteira como aproximadamente 20 raios gravitacionais, uma escala de distância baseada na massa do buraco negro.

A equipa infere que, para lá dessa fronteira, há uma transição para um fluxo quente e geometricamente espesso. Pensa-se que o plasma aí atinge temperaturas de centenas de milhões de graus. O plasma é um gás no qual os eletrões se separaram dos átomos, permitindo que o material interaja fortemente com campos magnéticos.

Radiotelescópios acompanham o jato até ao centro

As observações de rádio realizadas aproximadamente na mesma altura forneceram a outra parte do quadro. A equipa usou a Global Millimeter VLBI Array, a Very Long Baseline Array e a East Asian VLBI Network para acompanhar o estreitamento do jato à medida que este se aproxima do buraco negro.

Estas redes combinam medições de telescópios muito distantes entre si através de interferometria de muito longa linha de base, ou VLBI. Este método permite aos astrónomos distinguir detalhes muito mais finos do que os que um único radiotelescópio conseguiria resolver. Neste estudo, ajudou-os a acompanhar o jato até à sua origem.

Com base na forma do jato, os investigadores estimaram que a sua base tem um raio não superior a cerca de 10 raios do buraco negro. A interpretação conjunta dos dados situa a origem do jato no fluxo interno quente identificado através das medições de raios X, perto do buraco negro.

Noda, professor associado da Universidade de Tohoku e colíder da investigação, explicou por que razão foi importante combinar as observações:

Ao observarmos o mesmo buraco negro com radiotelescópios e telescópios de raios X de última geração, conseguimos ver tanto o plasma quente que o rodeia como o jato que dele emerge. Isto permite-nos estabelecer uma ligação direta entre o ambiente extremo nas proximidades do buraco negro e a formação do jato.

Como a rotação poderá fornecer energia ao jato

A explicação proposta pela equipa relaciona três elementos: um buraco negro em rotação, um fluxo quente de plasma em aproximação e campos magnéticos intensos. O disco exterior, mais frio, fornece matéria. Mais perto do buraco negro, o fluxo mais quente e espesso cria uma região onde os campos magnéticos se podem acumular com maior facilidade.

Esses campos poderão então extrair parte da energia rotacional do buraco negro e direcioná-la para um estreito fluxo de plasma. A principal descrição teórica deste processo chama-se mecanismo de Blandford-Znajek. Em termos simples, os campos magnéticos ligam o ambiente em rotação nas proximidades do buraco negro à matéria que é acelerada para o exterior.

Assim, o jato é alimentado perto do buraco negro enquanto outra matéria continua a cair para dentro. O sistema apresenta, portanto, dois movimentos interligados: um fornecimento de matéria para o interior e um fluxo para o exterior que transporta energia para a galáxia circundante.

No caso de 3C 120, os investigadores propõem que a transição de um disco exterior fino para um fluxo interno espesso torna estes movimentos compatíveis. A estrutura exata do campo magnético e a forma como a energia rotacional é transferida para o jato continuam a ser objeto de estudos futuros.

Uma mudança estrutural relaciona as medições

O título do artigo, «A truncação do disco desencadeia o lançamento de um jato relativista por um buraco negro supermassivo com elevada acreção», resume a relação proposta. A truncação do disco significa que a parte fria e fina termina antes de chegar ao buraco negro. Relativista descreve um movimento suficientemente rápido para que a teoria da relatividade de Einstein seja essencial para o compreender.

As medições de raios X localizam a fronteira interna do disco mais frio. As medições de rádio acompanham o jato até uma região no seu interior. Consideradas em conjunto, as observações fornecem aos investigadores uma explicação espacial para a forma como um sistema que se alimenta rapidamente pode manter condições favoráveis à formação de um jato poderoso.

O estudo vai além de simplesmente encontrar um disco e um jato em torno do mesmo objeto. Relaciona a mudança estrutural do disco com o local onde o jato começa, integrando a matéria que entra e a que sai no mesmo quadro físico.

3C 120 é especialmente útil porque se alimenta a um ritmo relativamente rápido. A investigação compara-o com galáxias ativas com uma alimentação mais fraca, como M87, onde os fluxos quentes e espessos já ajudaram a sustentar a explicação magnética para a produção de jatos. O novo resultado alarga essa investigação a um ambiente de alimentação diferente.

Porque é que o resultado importa para além de uma galáxia

Os jatos transportam energia para longe das imediações dos buracos negros supermassivos. Ao interagirem com o gás no interior e em torno das galáxias, podem alterar as condições em que se formam estrelas. Compreender o mecanismo junto de um buraco negro ajuda, por isso, os investigadores a estudar mudanças que ocorrem a escalas muito maiores.

As conclusões sobre 3C 120 estabelecem uma ligação concreta entre essas escalas: a estrutura da matéria que se aproxima poderá ajudar a determinar se se consegue formar um jato poderoso. Uma fronteira perto do buraco negro poderá influenciar a forma como a energia é transportada para muito além dele.

A equipa está a realizar novas observações coordenadas de um buraco negro mais maciço, utilizando o XRISM e observatórios de rádio de todo o mundo. Os investigadores planeiam também comparar as medições com modelos teóricos e simulações informáticas, para testar até que ponto a geometria proposta explica o comportamento da matéria e dos campos magnéticos.

Noda descreveu o objetivo da próxima fase:

O nosso próximo objetivo é construir um quadro mais completo da interação entre a matéria, os campos magnéticos e a rotação dos buracos negros nestes ambientes extremos. Compreender este processo poderá também ajudar-nos a perceber melhor como os buracos negros supermassivos influenciam a evolução das galáxias e das estruturas de maior escala do Universo.

Publicação e próximas observações

A investigação reúne uma missão japonesa de raios X e redes de rádio que abrangem várias regiões. As medições complementares são fundamentais para o método: os raios X revelam as condições no fluxo de acreção, enquanto as observações de rádio acompanham a estrutura do jato.

A publicação e as próximas etapas previstas são as seguintes:

• 19 de outubro de 2026: The Astrophysical Journal Letters publicou o estudo liderado por Noda e Hada.
• 20 de outubro de 2026: A Universidade de Tohoku anunciou as conclusões e descreveu as observações combinadas de raios X e rádio.
• Próxima etapa: A equipa está a realizar observações coordenadas de um buraco negro mais maciço e a comparar os resultados com modelos e simulações.

O artigo tem o DOI 10.3847/2041-8213/aeaa2c. Estes dados de publicação também constam do comunicado oficial do estudo. Aplicar o mesmo método de observação a outro buraco negro permitirá à equipa investigar se a transição estrutural detetada em 3C 120 também ocorre noutro sistema.

Pontos principais

• O XRISM e três redes de radiotelescópios observaram 3C 120, situada a cerca de 420 milhões de anos-luz.
• O buraco negro da galáxia tem uma massa equivalente a cerca de 60 milhões de Sóis e consome matéria rapidamente enquanto lança um poderoso jato.
• As medições de raios X indicam que o disco frio e fino termina antes de chegar ao buraco negro, dando lugar a um fluxo interno muito mais quente.
• As observações de rádio acompanham a origem do jato até à região ocupada por esse fluxo quente.
• A equipa propõe que os campos magnéticos aí acumulados podem aproveitar a energia rotacional do buraco negro para alimentar o jato.
• Observações futuras irão analisar um buraco negro mais maciço e testar esta explicação com modelos teóricos e simulações.