XRISM identifica fluxo interno quente que pode alimentar o poderoso jato de um buraco negro

Um buraco negro que se alimenta rapidamente revela um limite interno crucial

Um buraco negro supermassivo a cerca de 420 milhões de anos-luz pode dever seu poderoso jato a uma mudança na forma e na temperatura da matéria que cai em sua direção. Observações da galáxia 3C 120 indicam que seu disco relativamente frio e plano termina antes de chegar ao buraco negro, deixando uma região interna preenchida por plasma muito mais quente, onde campos magnéticos fortes poderiam se acumular.

Uma equipe 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 imageamento e espectroscopia de raios X, conhecida como XRISM, com medições de três redes internacionais de radiotelescópios. Em conjunto, os instrumentos relacionaram a estrutura da matéria que se aproxima ao jato estreito que emerge perto do buraco negro.

As descobertas, publicadas no The Astrophysical Journal Letters em 19 de outubro de 2026, abordam um enigma: como um buraco negro pode consumir matéria rapidamente e, ao mesmo tempo, lançar um poderoso fluxo de plasma a quase a velocidade da luz? Acreditava-se que o tipo de disco esperado durante uma alimentação rápida não fosse adequado para acumular os campos magnéticos necessários a esse processo.

O comunicado de pesquisa da Universidade de Tohoku, divulgado em 20 de outubro, descreve uma possível resposta. O disco externo, mais frio, dá lugar a um fluxo interno quente, criando condições nas quais campos magnéticos poderiam extrair energia da rotação do buraco negro e canalizá-la para um jato.

Por que 3C 120 é um enigma

3C 120 está na direção da constelação de Touro. Seu buraco negro central tem uma massa equivalente a aproximadamente 60 milhões de sóis e, ao mesmo tempo, consome rapidamente a matéria ao redor e produz um jato poderoso. Essa combinação faz dele um alvo útil para investigar como a alimentação e a produção de jatos se relacionam.

Em geral, a matéria que se aproxima de um buraco negro tem algum movimento lateral e, por isso, gira para dentro em vez de cair diretamente. Ela se acumula em um disco de acreção, onde o atrito e outros processos aquecem o material até que ele emita luz e outras formas de radiação. Os astrônomos estudam essa radiação para entender uma região que não podem 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. Aqui, “frio” é uma comparação com o plasma muito mais quente próximo ao centro. Um disco fino tem uma espessura vertical pequena em relação à sua largura, como uma folha achatada.

A dificuldade está no magnetismo. Uma das principais explicações para a formação de jatos poderosos exige campos magnéticos fortes perto de um buraco negro em rotação. Acredita-se que um disco fino tenha dificuldade para manter a estrutura de campo necessária. Um fluxo interno mais quente e espesso oferece condições mais favoráveis, tornando central para a investigação a localização em que o disco muda de forma.

XRISM analisa o disco por meio do ferro

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

A linha do ferro muda de forma perto de um buraco negro. O movimento do material em direção a um observador ou para longe dele altera a energia da radiação recebida. A gravidade intensa perto do buraco negro também modifica a energia dos raios X que escapam. Juntos, esses efeitos alargam e distorcem a linha.

Os pesquisadores usaram essa distorção para estimar até que ponto o disco relativamente frio se estende para dentro. A universidade descreve sua borda interna como estando a cerca de 20 vezes o raio do buraco negro. A descrição científica expressa esse limite como aproximadamente 20 raios gravitacionais, uma escala de distância baseada na massa do buraco negro.

Dentro desse limite, a equipe infere uma transição para um fluxo quente e geometricamente espesso. Acredita-se que o plasma ali atinja temperaturas de centenas de milhões de graus. Plasma é um gás no qual os elétrons se separaram dos átomos, permitindo que o material interaja fortemente com campos magnéticos.

Radiotelescópios rastreiam o jato até sua origem

Observações de rádio realizadas aproximadamente no mesmo período forneceram a outra parte do quadro. A equipe usou o Global Millimeter VLBI Array, o Very Long Baseline Array e a East Asian VLBI Network para rastrear o jato à medida que ele se estreitava em direção ao buraco negro.

Essas redes combinam medições de telescópios muito distantes por meio da interferometria de linha de base muito longa, ou VLBI. O método permite que os astrônomos distingam detalhes muito mais finos do que um único radiotelescópio conseguiria resolver sozinho. Neste estudo, ele ajudou a equipe a acompanhar o jato até sua origem.

Com base na forma do jato, os pesquisadores estimaram que sua base tem um raio não superior a cerca de 10 raios do buraco negro. A interpretação conjunta situa a origem do jato dentro do fluxo interno quente identificado pelas medições de raios X, perto do buraco negro.

Noda, professor associado da Universidade de Tohoku e um dos líderes da pesquisa, explicou por que a combinação das observações foi importante:

Ao observar o mesmo buraco negro com radiotelescópios e telescópios de raios X de última geração, conseguimos ver tanto o plasma quente ao redor do buraco negro quanto o jato que emerge dele. Isso nos permite relacionar diretamente o ambiente extremo perto do buraco negro à formação do jato.

Como a rotação poderia fornecer energia ao jato

A explicação proposta pela equipe relaciona três elementos: um buraco negro em rotação, um fluxo quente de plasma em movimento para dentro e campos magnéticos fortes. O disco externo, mais frio, fornece matéria. Mais perto do buraco negro, o fluxo mais quente e espesso oferece uma região onde os campos magnéticos podem se acumular com mais facilidade.

Esses campos poderiam então extrair parte da energia rotacional do buraco negro e direcioná-la para um fluxo estreito de plasma. A principal descrição teórica desse processo é chamada de mecanismo de Blandford-Znajek. Em termos simples, os campos magnéticos conectam o ambiente em rotação próximo ao buraco negro à matéria que é acelerada para fora.

Assim, o jato é alimentado perto do buraco negro enquanto outra parte da matéria continua caindo para dentro. O sistema apresenta dois movimentos relacionados: um fluxo de matéria que entra e outro que sai, transportando energia para a galáxia ao redor.

No caso de 3C 120, os pesquisadores propõem que a transição de um disco externo fino para um fluxo interno espesso torna esses movimentos compatíveis. A estrutura exata do campo magnético e a maneira como a energia rotacional é transferida para o jato continuam sendo temas de estudos futuros.

Uma mudança estrutural relaciona as medições

O título do artigo, "Disk truncation triggers relativistic jet launching of a highly accreting supermassive black hole" (A interrupção do disco desencadeia o lançamento de um jato relativístico por um buraco negro supermassivo em rápida acreção), resume a relação proposta. Interrupção do disco significa que a parte fina e mais fria termina antes de chegar ao buraco negro. “Relativístico” descreve um movimento tão rápido que a teoria da relatividade de Einstein é essencial para entendê-lo.

As medições de raios X localizam o limite interno desse disco mais frio. As medições de rádio rastreiam o jato até uma região situada dentro dele. Consideradas em conjunto, as observações oferecem aos pesquisadores uma explicação espacial para como um sistema que se alimenta rapidamente pode manter condições favoráveis à formação de um jato poderoso.

Isso é mais específico do que simplesmente encontrar um disco e um jato ao redor do mesmo objeto. O estudo relaciona a mudança na estrutura do disco à localização em que o jato começa, reunindo a matéria que entra e a que sai em um mesmo quadro físico.

3C 120 é especialmente útil porque se alimenta em ritmo relativamente acelerado. A pesquisa o compara a galáxias ativas que se alimentam mais lentamente, como M87, nas quais fluxos quentes e espessos já ajudaram a sustentar a explicação magnética para a produção de jatos. O novo resultado amplia essa investigação para um ambiente de alimentação diferente.

Por que o resultado importa para além de uma galáxia

Os jatos transportam energia para longe das imediações dos buracos negros supermassivos. Ao interagir com o gás dentro e ao redor das galáxias, eles podem alterar as condições em que as estrelas se formam. Entender o mecanismo perto de um buraco negro, portanto, ajuda os pesquisadores a estudar mudanças que ocorrem em escalas muito maiores.

Os resultados de 3C 120 estabelecem uma relação concreta entre essas escalas: a estrutura da matéria que entra pode ajudar a determinar se um jato poderoso consegue se formar. Um limite próximo ao buraco negro pode influenciar a forma como a energia é distribuída muito além dele.

A equipe está realizando novas observações coordenadas de um buraco negro mais massivo usando o XRISM e observatórios de rádio de todo o mundo. Os pesquisadores também planejam comparar as medições com modelos teóricos e simulações computacionais para testar o quanto a geometria proposta explica o comportamento da matéria e dos campos magnéticos.

Noda descreveu o objetivo dessa próxima etapa:

Nosso próximo objetivo é construir um quadro mais completo de como a matéria, os campos magnéticos e a rotação do buraco negro interagem nesses ambientes extremos. Entender esse processo também pode nos ajudar a compreender melhor como os buracos negros supermassivos influenciam a evolução das galáxias e das estruturas maiores do Universo.

Publicação e próximas observações

A pesquisa reúne uma missão japonesa de raios X e redes de radiotelescópios que abrangem várias regiões. As medições complementares são centrais para o método: os raios X revelam as condições do fluxo de acreção, enquanto as observações de rádio rastreiam a estrutura do jato.

A publicação e as próximas etapas planejadas são:

• 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 descobertas e descreveu as observações combinadas de raios X e rádio.
• Próxima etapa: A equipe está realizando observações coordenadas de um buraco negro mais massivo e comparando os resultados com modelos e simulações.

O artigo tem o DOI 10.3847/2041-8213/aeaa2c. Esses dados da publicação também constam no comunicado oficial do estudo. Aplicar o mesmo método de observação a outro buraco negro permitirá à equipe investigar se a transição estrutural encontrada em 3C 120 também ocorre em outro sistema.

Principais pontos

• O XRISM e três redes de radiotelescópios estudaram 3C 120, a cerca de 420 milhões de anos-luz.
• O buraco negro da galáxia tem uma massa equivalente a aproximadamente 60 milhões de sóis e consome matéria rapidamente enquanto lança um jato poderoso.
• As medições de raios X indicam que o disco fino e mais frio termina antes de chegar ao buraco negro, dando lugar a um fluxo interno muito mais quente.
• As observações de rádio rastreiam a origem do jato até a região ocupada por esse fluxo quente.
• A equipe propõe que os campos magnéticos acumulados nessa região podem extrair energia rotacional do buraco negro para alimentar o jato.
• Novas observações estudarão um buraco negro mais massivo e testarão a explicação por meio de modelos teóricos e simulações.