Um buraco negro desaparecido num aglomerado globular

O enorme aglomerado globular Omega Centauri intriga os astrônomos há décadas. Deveria estar repleto de buracos negros deixados por estrelas que explodiram, mas as evidências da sua existência são escassas.

© NASA (buraco negro próximo de estrela em Omega Centauri)

Agora, utilizando dados de arquivo do telescópio espacial Hubble e observações complementares do telescópio espacial James Webb, os astrônomos localizaram finalmente o seu primeiro buraco negro de massa estelar neste aglomerado.

A descoberta do primeiro exemplar desta população de buracos negros "desaparecidos" ajudará a aperfeiçoar as teorias atuais sobre a formação de buracos negros em ambientes como Omega Centauri.

Omega Centauri é composto por 10 milhões de estrelas ligadas gravitacionalmente. Embora a comunidade astronômica já tivesse encontrado anteriormente, com o Hubble, evidências de que um buraco negro de massa intermediária se esconde no seu centro, os modelos sugerem que este aglomerado globular também deveria conter cerca de 10.000 buracos negros menores de massa estelar.

Esta notável população de buracos negros escapou à detecção em estudos observacionais anteriores, que utilizaram o método da velocidade radial ou procuraram emissões de rádio e raios X provenientes de material caindo nos buracos negros. Esta nova descoberta recorre a uma abordagem diferente, conhecida como astrometria, para medir movimentos muito pequenos das estrelas ao longo do tempo.

Ao analisar mais de 20 anos de dados de arquivo do Hubble e incorporar dados recentes do Webb para aperfeiçoar ainda mais as suas medições astrométricas, a equipe localizou uma estrela orbitando um objeto invisível tão massivo que só pode ser um buraco negro. Apelidado de oMEGACat BH-2, é o primeiro buraco negro de massa estelar detectado em Omega Centauri e apresenta algumas características surpreendentes. O buraco negro oMEGACat BH-2 tem uma massa inferior à esperada e, juntamente com a sua estrela companheira visível, a dupla tem o período orbital mais longo de qualquer sistema binário de buracos negros conhecido até à data.

Foi possível observar o movimento da estrela visível de sequência principal que faz parte deste sistema binário, que se encontra a cerca de 18.000 anos-luz de distância, no ambiente denso de Omega Centauri. As descobertas da equipe aperfeiçoam um estudo anterior realizado por um grupo diferente de cientistas, que sugeria que este sistema binário incluía uma estrela de nêutrons.

Ao complementar os dados do Hubble da investigação anterior com medições astrométricas de arquivo do Hubble, relativas ao período de 2002 a 2023, e ao integrar dados no infravermelho próximo do Webb para melhorar a precisão, os astrônomos conseguiram determinar com maior precisão a massa da companheira escura da estrela visível, descartando a possibilidade de se tratar de uma estrela de nêutrons. Embora já era conhecido que a estrela tinha 0,78 massas solares, agora foi possível calcular a massa do buraco negro, que é de 4,46 massas solares e, por isso, demasiado grande para ser uma estrela de nêutrons. No entanto, a sua massa é muito inferior à que seria esperada num ambiente pobre em metais como o de Omega Centauri.

Com base nos dados precisos do Hubble e do Webb, a equipe conseguiu rastrear a trajetória da estrela ao longo de mais de 20 anos, durante a sua aproximação máxima ao buraco negro que a acompanha, quando se deslocava mais rapidamente pelo céu. A partir desses dados exaustivos, a equipe determinou que a estrela visível orbita oMEGACat BH-2 uma vez a cada 94 anos, tornando-o o sistema binário com um buraco negro de período mais longo jamais conhecido.

O seu longo período orbital também dá uma pista acerca da origem deste sistema binário. Provavelmente, formou-se dinamicamente, o que significa que a estrela e o seu companheiro, o buraco negro, não começaram juntos, mas sim que se encontraram neste aglomerado. Os pesquisadores calcularam que um sistema como oMEGACat BH-2 sobreviverá menos de um bilhão de anos antes de ser destruído por colisões com estrelas próximas, um período muito mais curto do que a idade do aglomerado globular, com aproximadamente 12 bilhões de anos.

A descoberta do buraco negro de massa estelar oMEGACat BH-2, com base no conjunto de dados do Hubble e do Webb, é apenas o início da busca por estas populações de buracos negros esquivos nos aglomerados globulares. O lançamento do telescópio espacial Nancy Grace Roman da NASA irá captar imagens do denso Bojo Galáctico, incluindo o Centro Galáctico, com grande regularidade, com uma resolução semelhante à do Hubble e com um campo de visão muito mais amplo, onde poderá encontrar outros sistemas binários de buracos negros.

Um artigo foi publicado no periódico The Astrophysical Journal Letters.

Fonte: NASA

A atividade do buraco negro central da Via Láctea

Utilizando o ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), foram encontradas finalmente evidências claras de que o buraco negro supermassivo no centro da Via Láctea, Sagitário A* (Sgr A*), está emitindo um vento cósmico quente, algo que os cientistas procuravam há mais de 50 anos.

© ALMA / Chandra (localização do gás frio no buraco negro central da Via Láctea)

Esta composição sobrepõe dados do ALMA e do observatório de raios X Chandra da NASA. Mostra evidências de um vento que se expande a partir de Sgr A*. O ponto branco no centro da imagem mostra Sgr A*. A cor laranja representa os dados dos radiotelescópios ALMA no Chile, que mapeiam a localização do gás frio composto por monóxido de carbono na imagem. A cor azul representa os dados de raios X do Chandra. Uma grande cavidade em forma de cone, visível como uma ausência de gás frio nos dados do ALMA, está preenchida por gás quente emissor de raios X nos dados do Chandra.

A teoria astronômica diz que, quando um buraco negro se alimenta de gás, também deve "soprar" algum material sob a forma de ventos ou jatos. Até agora, o vento proveniente do buraco negro da Via Láctea nunca tinha sido visto com clareza. Utilizando vários anos de observações altamente detalhadas do ALMA, os astrônomos mapearam gás frio a apenas alguns anos-luz de Sgr A*. Depois de removerem cuidadosamente o intenso brilho de rádio do buraco negro, descobriram um buraco gigante em forma de cone no gás frio, apontando diretamente para o buraco negro; a marca inconfundível de um vento grande, quente e ativo lançado a partir de Sgr A*.

Com mais de cinco anos de observações do ALMA (realizadas num comprimento de onda de 1,3 milímetros), os astrônomos mapearam a emissão de moléculas de monóxido de carbono, um indicador clássico de gás molecular frio, a apenas cerca de três anos-luz de Sgr A*. Ao modelar e subtrair cuidadosamente a emissão de rádio do próprio buraco negro, que varia rapidamente, conseguiram revelar estruturas extremamente tênues e complexas no gás circundante.

Dados do observatório de raios X Chandra mostram gás quente preenchendo a mesma região, confirmando que se trata de um fluxo impulsionado por um buraco negro e não algo causado por estrelas próximas. O mapa resultante é cerca de 100 vezes mais sensível e tem uma resolução angular 80 vezes superior à dos mapas de CO anteriores da região, tornando-se o mapa mais sensível e de maior resolução do gás frio num raio de três anos-luz de Sgr A* alguma vez obtido.

Esta descoberta baseou-se não só em anos de observações do ALMA, mas também em técnicas inovadoras de processamento de dados para modelar e subtrair a emissão rapidamente variável de Sgr A*, revelando estruturas mais tênues no gás circundante. A equipe estima que este vento sopre há pelo menos 20.000 anos, mas é relativamente brando em comparação com os jatos dramáticos observados em outras galáxias.

Ao revelar este vento há muito procurado, o ALMA e o Chandra ajudaram a resolver um mistério com décadas e proporcionaram aos cientistas a visão mais clara até à data de como um buraco negro supermassivo pode tanto alimentar-se como remodelar os seus arredores no coração da Via Láctea.

Um artigo foi publicado no periódico The Astrophysical Journal Letters.

Fonte: National Radio Astronomy Observatory

Medida a massa de um buraco negro inativo no início do Universo

Uma equipe de astrônomos, do Instituto Carnegie, realizou a primeira medição direta da massa de um buraco negro inativo que se encontra no centro de uma galáxia do início do Universo.

© UCL (galáxia MRG-M0138)

Embora o buraco negro, um gigante com 6 bilhões de vezes a massa do nosso Sol, já não ilumine os seus arredores, foi possível determinar a sua massa utilizando o telescópio espacial James Webb para detectar o movimento das estrelas próximas do centro da galáxia que estão sendo afetadas pela gravidade do buraco negro.

Em comparação, os buracos negros ativamente em fase de alimentação são fáceis de detectar. Os astrônomos têm-nos encontrado há décadas, procurando quasares, alguns dos objetos mais brilhantes do cosmos, que são alimentados por gás que cai num buraco negro no centro de uma galáxia.

O buraco negro agora explorado situa-se no centro de MRG-M0138, uma galáxia massiva cuja luz chegou ao Webb numa época em que o Universo tinha apenas cerca de 3 bilhões de anos. A galáxia já não está formando estrelas e o seu buraco negro central também está inativo. Antes deste resultado, os astrônomos só tinham conseguido utilizar esta técnica para determinar as massas dos buracos negros no Universo local.

Em 2020, foi atribuído o Prêmio Nobel pela detecção do buraco negro no centro da Via Láctea, através do rastreio das órbitas de estrelas individuais. Os movimentos coletivos das estrelas nos centros das galáxias têm sido utilizados para "pesar" buracos negros a uma distância de cerca de 700 milhões de anos-luz. Mas sem o sofisticado conjunto de instrumentos do Webb e a ajuda de um fenômeno de lente gravitacional, não era possível realizar este tipo de medição para galáxias mais distantes. O buraco negro de MRG-M0138 está localizado por trás de um enorme aglomerado de galáxias, que amplia e distorce a sua aparência. Como resultado, a galáxia distante parece cerca de 30 vezes maior do que seria normalmente.

Até agora, apenas foram descobertos alguns buracos negros dormentes com esta massa, todos no Universo próximo. A descoberta oferece novas pistas sobre como os buracos negros e as galáxias cresceram em conjunto no início do Universo. As galáxias próximas revelam ligações íntimas entre as massas dos seus buracos negros centrais e as propriedades das galáxias que as rodeiam. Mas tem sido difícil verificar se estas relações já existiam há bilhões de anos.

As conclusões dos pesquisadores sugerem que as galáxias mais densas foram locais de rápido crescimento de buracos negros no início da história do cosmos. Embora agora dormente, MRG-M0138 foi provavelmente um poderoso quasar no seu passado. A energia liberada por um buraco negro em rápido crescimento pode "queimar" ou ejetar o gás que alimenta o nascimento estelar, o que pode ter bloqueado a formação de estrelas na galáxia.

A equipe está agora analisando dados do Webb de outras galáxias semelhantes. O satélite Euclid e o telescópio espacial Nancy Grace Roman revelarão muito mais exemplos de lentes gravitacionais do que os atualmente conhecidos. E o GMT (Giant Magellan Telescope), em construção no Observatório Las Campanas, no Chile, terá capacidade para estudar os movimentos das estrelas em galáxias distantes com muito mais detalhe do que o Webb.

Os pesquisadores esperam que a aplicação dos seus métodos a mais galáxias ajude os astrônomos a compreender como os buracos negros mais massivos se formaram, cresceram e moldaram a evolução das galáxias.

Um artigo foi publicado na revista Science.

Fonte: University College London

Um buraco negro que se formou antes da sua galáxia

Recorrendo ao poder de imagem e espetroscopia sem precedentes do telescópio espacial James Webb, os pesquisadores mapearam o movimento e a composição do gás que orbita um buraco negro no centro da pequena galáxia Abell 2744-QSO1.

© NASA (Abell 2744-QSO1)

Os resultados sugerem que o buraco negro com 50 milhões de massas solares é anterior à sua galáxia hospedeira, tendo-se possivelmente formado no primeiro segundo do Big Bang, e deve ter sido imenso desde o início. O que surge primeiro, a galáxia ou o buraco negro?

Os cientistas há muito que pensam que poderia ser a galáxia: grandes estrelas dentro de uma galáxia existente consomem o seu combustível e colapsam para formar buracos negros, que podem devorar o material circundante e fundir-se ao longo do tempo para formar entidades mais massivas. Mas é difícil perceber como é que buracos negros com milhões a bilhões de vezes a massa do Sol, milhares dos quais foram agora detectados no Universo primitivo, puderam ter crescido tão rapidamente a partir de sementes tão pequenas.

Agora, pesquisadores que utilizam o Webb detectaram evidências claras de que alguns buracos negros supermassivos eram enormes desde o início, formando-se sem uma fase de colapso estelar e sem uma galáxia hospedeira significativamente mais massiva para os alimentar.

A conclusão da equipe baseia-se em observações detalhadas de Abell 2744-QSO1 (QSO1), um Pequeno Ponto Vermelho prototípico que existia apenas 700 milhões de anos após o Big Bang. Embora QSO1 tenha apenas 1.300 anos-luz de diâmetro e a sua luz tenha viajado por mais de 13 bilhões de anos, é mais fácil de estudar do que a maioria dos outros Pequenos Pontos Vermelhos porque sofre o efeito de lente gravitacional do aglomerado de galáxias Abell 2744 (Aglomerado de Pandora). QSO1 é tanto ampliado como triplicado, aparecendo em três locais diferentes no céu.

Estudos iniciais de QSO1 revelaram evidências convincentes de que pode ser pouco mais do que uma nuvem de gás brilhante de hidrogênio e hélio orbitando um buraco negro supermassivo estimado em 40 milhões de vezes a massa do Sol. Mas, tal como aconteceu com outros buracos negros primitivos descobertos pelo Webb, havia incerteza sobre se ele era realmente tão massivo.

Os pesquisadores utilizaram a ferramenta IFU (Integral Field Unit) do NIRSpec (Near Infrared Spectrograph) do Webb para rastrear os efeitos da sua gravidade no gás que gira ao redor do buraco negro de QSO1. Quando representaram graficamente a velocidade de rotação em função da distância ao centro, descobriram que o gás tem um movimento kepleriano: orbita um ponto central da mesma forma que os planetas do nosso Sistema Solar orbitam o Sol. Isto é importante porque indica que a maior parte da massa de QSO1 está concentrada no buraco negro no centro. Se a massa estivesse mais distribuída, como seria o caso se houvesse muitas estrelas, o gás não apresentaria esta rotação kepleriana perfeita.

Uma vez que o movimento kepleriano é regido por leis simples da gravidade, ao medir a velocidade do gás foi possível calcular diretamente a massa do buraco negro, um feito que anteriormente não tinha sido possível. Foi descoberto que o buraco negro não só é imenso, com cerca de 50 milhões de massas solares, como representa uns surpreendentes dois terços da massa total de QSO1.

Esta proporção é milhares de vezes superior à das nossas galáxias vizinhas, onde os buracos negros supermassivos representam apenas uma fração minúscula da massa total da galáxia hospedeira. Os mapas de composição da IFU corroboraram estes resultados, mostrando que o gás em toda a galáxia QSO1 é quase inteiramente composto por hidrogênio e hélio, com muito poucos elementos mais pesados, como o oxigênio, que seriam de esperar numa galáxia rica em estrelas e detritos estelares. Com uma metalicidade inferior a 0,5% da do Sol, QSO1 é um dos ambientes galácticos mais primitivos alguma vez medidos.

A equipe considera que isto é um bom sinal de que os pressupostos utilizados para as medições indiretas de massa são válidos e de que as massas de outros buracos negros no Universo primitivo não foram sobrestimadas. A massa desproporcional do buraco negro de QSO1 em relação à sua galáxia hospedeira sugere que não se pode ter formado gradualmente a partir da fusão e alimentação de buracos negros de massa estelar muito menores. Os Pequenos Pontos Vermelhos como QSO1 não devem ter sido raros no Universo primitivo.

Os estudos foram publicados na revista Nature e no periódico Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Fonte: University of Cambridge

Ondas gravitacionais revelam segredos dos maiores buracos negros

De acordo com um novo estudo, os buracos negros mais massivos do Universo, detectados pelas ondulações que provocam no espaço-tempo, não nasceram diretamente do colapso de estrelas. Em vez disso, estes gigantes cósmicos formam-se através de uma série de colisões repetidas e extremamente violentas em aglomerados estelares muito densos.

© STScI (aglomerado globular M80)

A imagem mostra o aglomerado globular M80, localizado cerca de 28.000 anos-luz de distância, que abriga centenas de milhares de estrelas unidas pela gravidade. Ambientes densamente povoados como este podem contribuir para o crescimento dos buracos negros através de fusões sucessivas.

O estudo analisou a versão 4.0 do GWTC (Gravitational-Wave Transient Catalogue) da Colabração LIGO-Virgo-KAGRA, que contém 153 detecções de fusões de buracos negros com confiabilidade suficiente. Os pesquisadores pretendiam testar a ideia de que os buracos negros mais massivos no GWTC-4 são objetos de "segunda geração", formados quando buracos negros anteriores se fundiram e depois se fundiram novamente nos núcleos densos de aglomerados estelares, onde as estrelas podem estar agrupadas até um milhão de vezes mais densamente do que na vizinhança do Sol.

As suas descobertas exploram as origens dos buracos negros mais massivos detectados pelas suas ondas gravitacionais, revelando duas populações distintas. Nos dados de ondas gravitacionais, a equipe identificou uma população de menor massa consistente com o colapso estelar comum; e uma população de maior massa cujas rotações parecem-se exatamente com as esperadas de fusões hierárquicas em aglomerados estelares densos.

Verificou-se que as rotações dos buracos negros de baixa massa eram muito lentas, tal como seria de esperar de um colapso estelar. A massa de transição entre as duas populações emerge muito claramente dos dados das rotações: para massas acima desse valor, verificou-se que as rotações eram consistentes com o que seria de esperar de orientações aleatórias no espaço e tinham magnitudes muito maiores.

O estudo também apresenta as evidências mais sólidas até à data da existência de uma "lacuna de massa", em que estrelas extremamente massivas explodem de forma catastrófica em vez de colapsarem para formar buracos negros. A teoria, há muito prevista, descreve um intervalo "proibido" de massa para buracos negros formados diretamente a partir de estrelas, em que se espera que estrelas muito massivas sejam destruídas antes de poderem formar buracos negros. Foi identificado este intervalo numa população de buracos negros de origem estelar com 45 vezes a massa do Sol ou mais, o que significa que buracos negros mais massivos do que isso não podem ter-se formado exclusivamente a partir de estrelas moribundas.

Existe também uma característica evidente na distribuição de massas que surge nesta massa de transição: a curvatura da distribuição altera-se, refletindo a ausência de buracos negros de "primeira geração" e a proeminência emergente dos de segunda geração. Descobriu-se que esta alteração da curvatura é exatamente o que seria de esperar se estes buracos negros proviessem de aglomerados densos.

Um artigo foi publicado na revista Nature Astronomy.

Fonte: University of Oxford

Ligando os pequenos pontos vermelhos

Um objeto recém-descoberto pode ser a chave para desvendar a verdadeira natureza de uma misteriosa classe de fontes que os astrônomos têm recentemente encontrado no Universo primitivo.

© NASA (ponto de raios X)

Um "ponto de raios X" detectado pelo observatório de raios X Chandra da NASA poderá explicar o que são estas centenas ou, potencialmente, milhares de objetos.

Pouco depois de o telescópio espacial James Webb da NASA ter iniciado as suas observações científicas, surgiram relatos de uma nova classe de objetos misteriosos. Foram encontrados pequenos objetos vermelhos a cerca de 12 bilhões de anos-luz da Terra ou mais longe, que ficaram conhecidos como "Pequenos Pontos Vermelhos" (ou LRDs, sigla inglesa para "Little Red Dots").

Muitos cientistas pensam que os LRDs são buracos negros supermassivos embebidos em nuvens densas de gás, que mascaram algumas das assinaturas típicas em diferentes tipos de luz, incluindo raios X, que os astrônomos costumam usar para os identificar. Isto torná-los-ia diferentes dos típicos buracos negros supermassivos em crescimento, que não estão embebidos em gás denso, permitindo que a brilhante luz ultravioleta e os raios X provenientes do material em órbita dos buracos negros escapem.

Devido a isto e às suas potenciais semelhanças com as atmosferas estelares, denominando este cenário como "estrela-buraco negro" para os LRDs. Este novo "ponto de raios X", oficialmente designado 3DHST-AEGIS-12014, localizado a cerca de 11,8 bilhões de anos-luz da Terra, poderá constituir uma ponte crucial entre as estrelas-buraco negro e os típicos buracos negros supermassivos em crescimento. Exibe a maioria das características de um LRD, incluindo o fato de ser pequeno, vermelho e estar localizado a uma grande distância, mas brilha em raios X, ao contrário de outros LRDs.

A equipe encontrou este objeto especial após comparar novos dados do Webb com um levantamento profundo realizado anteriormente pelo Chandra. Se os pequenos pontos vermelhos são buracos negros supermassivos em rápido crescimento, por que razão não emitem raios X como outros buracos negros semelhantes? Encontrar um pequeno ponto vermelho que parece diferente dos outros dá-nos uma nova e importante perspectiva sobre o que os poderá alimentar.

Os pesquisadores sugerem que o ponto de raios X representa uma fase de transição de um LRD para um buraco negro supermassivo em crescimento típico. À medida que a estrela-buraco negro consome o gás circundante, surgem abertas irregulares nas nuvens de gás. Isto permite que os raios X provenientes do material que cai no buraco negro consigam atravessar, sendo observados pelo Chandra. Eventualmente, todo o gás é consumido e a estrela-buraco negro deixa de existir.

Existem também indícios nos dados do Chandra, relativos ao ponto de raios X, de que há variações no brilho dos raios X, o que corrobora a ideia de que o buraco negro está parcialmente obscurecido. À medida que a nuvem de gás gira, zonas de gás mais denso e menos denso podem transitar à frente do buraco negro (da perspectiva do Sistema Solar), causando alterações no brilho dos raios X.

Se for confirmado que o ponto de raios X é um pequeno ponto vermelho em transição, não só seria o primeiro do seu gênero, como poderia ser possível ver o interior de um pequeno ponto vermelho pela primeira vez. Seria também a evidência mais forte até à data de que o crescimento de buracos negros supermassivos está no centro de alguns, se não de todos, os pequenos pontos vermelhos.

Uma ideia alternativa para o ponto de raios X é que se trata de um tipo mais comum de buraco negro supermassivo em crescimento, mas que está envolto num tipo exótico de poeira que nunca foi vista antes. Estão previstas observações futuras que deverão ser capazes de revelar a verdade.

Um artigo foi publicado no periódico The Astrophysical Journal Letters.

Fonte: Harvard–Smithsonian Center for Astrophysics

Detectado o primeiro par íntimo de buracos negros supermassivos?

Descobertas atuais sugerem a existência de um buraco negro supermassivo no centro de quase todas as grandes galáxias, com uma massa milhões ou mesmo bilhões de vezes superior à do nosso Sol.

© Emma Kun (ilustração mostra o centro da galáxia Markarian 501)

Ainda não se sabe ao certo como é que conseguem atingir massas tão grandes. A simples acreção do gás da área circundante demoraria demasiado tempo, pelo que é provável que tenham de se fundir com outros buracos negros massivos. Já foram observadas colisões de galáxias em todo o nosso Universo. É, portanto, muito provável que os buracos negros supermassivos no centro destas galáxias em colisão também se fundam, primeiro orbitando-se cada vez mais perto e, por fim, fundindo-se num só.

No entanto, os modelos teóricos ainda não conseguem descrever com precisão esta fase final. Para complicar ainda mais as coisas, ainda não foi detectado de forma confiável nenhum par íntimo de buracos negros massivos, apesar de as colisões entre galáxias serem comuns em escalas cósmicas de tempo.

Uma equipe internacional do Instituto Max Planck de Radioastronomia em Bonn, Alemanha, encontrou evidências diretas da existência de um par deste tipo no centro de Markarian 501, cujo buraco negro ejeta para o espaço um poderoso jato de partículas que viajam quase à velocidade da luz.

Para o estudo, a equipe analisou observações de alta resolução da região. Estas abrangem várias frequências de rádio e foram recolhidas ao longo de dúzias de dias, num período de aproximadamente 23 anos. Estes dados de longo prazo revelam não só um único jato, mas também um segundo. Trata-se da primeira imagem direta de um sistema deste tipo no centro de uma galáxia e uma indicação clara da existência de um segundo buraco negro supermassivo.

O primeiro jato aponta para a Terra, razão pela qual nos parece particularmente brilhante e é conhecido há muito tempo. O segundo jato está orientado de forma diferente e foi, por isso, mais difícil de detectar. Ao longo de um período de apenas algumas semanas, os astrônomos observaram mudanças significativas: o segundo jato começa atrás do buraco negro maior e move-se, à sua volta, no sentido contrário ao dos ponteiros do relógio.

Num dia de observação em junho de 2022, a radiação emitida pelo sistema chegou até a Terra por um percurso tão sinuoso que parecia ter a forma de um anel, o chamado anel de Einstein. Uma explicação consistente com a interpretação de um sistema binário de buracos negros seria que o sistema estava perfeitamente alinhado com a Terra. A lente gravitacional do buraco negro conhecido em frente moldou então a luz do segundo jato por detrás.

Ao analisar a evolução ao longo do tempo e os padrões recorrentes no brilho dos jatos, os pesquisadores conseguiram deduzir que os dois buracos negros se orbitam um ao outro com um período de aproximadamente 121 dias. Estão separados por uma distância cerca de 250 a 540 vezes superior à distância entre a Terra e o Sol, uma distância minúscula para objetos tão extremos, com massas entre 100 milhões e bilhões de vezes a do Sol. Dependendo das suas massas reais, a distância entre eles poderia diminuir tão rapidamente que poderiam fundir-se em apenas 100 anos.

Devido à grande distância entre a galáxia Markarian 501 e a Terra, nem mesmo os métodos de observação mais avançados conseguem captar os dois buracos negros como objetos separados. Nem mesmo o EHT (Event Horizon Telescope), que nos forneceu as primeiras imagens de buracos negros em 2019 e 2022, é suficientemente potente. A órbita cada vez menor do par em Markarian 501 não será, portanto, diretamente observável. No entanto, os cientistas esperam encontrar evidências claras da separação cada vez menor entre os dois buracos negros: o sistema deverá emitir ondas gravitacionais em frequências muito baixas, que poderão ser detectadas utilizando redes de temporização de pulsares.

Os sistemas binários de buracos negros supermassivos já constituem a explicação mais provável para o fundo de ondas gravitacionais observado, cujas evidências foram encontradas em 2023 pela EPTA (European Pulsar Timing Array) e por outras instituições. Markarian 501 é agora uma das principais candidatas para atribuir a emissão de ondas gravitacionais, medida com as redes de temporização de pulsares, a um sistema binário específico de buracos negros supermassivos. 

Um artigo foi publicado no periódico Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

 Fonte: Max Planck Institute for Radio Astronomy

Observando uma estrela se transformando num buraco negro

Os astrônomos observaram uma estrela moribunda que se transformou num buraco negro.

© Caltech (animação de estrela que colapsou formando um buraco negro)

Esta observação notável é o registo observacional mais completo alguma vez feito da transformação de uma estrela num buraco negro, permitindo aos astrônomos construir uma abrangente imagem física do processo. 

Combinando observações recentes da estrela com mais de uma década de dados de arquivo, os astrônomos confirmaram e refinaram modelos teóricos de como estrelas tão massivas se transformam em buracos negros. A equipe descobriu que a estrela não explodiu como uma supernova no final da sua vida; em vez disso, o núcleo da estrela colapsou num buraco negro, expulsando lentamente as suas camadas exteriores turbulentas no processo. A descoberta ajudará a explicar porque é que algumas estrelas massivas se transformam em buracos negros quando morrem, enquanto outras não.

A estrela agora extinta, chamada M31-2014-DS1, está localizada a cerca de 2,5 milhões de anos-luz de distância da Terra, na vizinha galáxia de Andrômeda. Os pesquisadores analisaram as medições da estrela efetuadas pelo projeto NEOWISE da NASA e por outros telescópios terrestres e espaciais durante um período que vai de 2005 a 2023. Descobriram que a luz infravermelha de M31-2014-DS1 começou a aumentar de brilho em 2014. Depois, em 2016, a estrela caiu rapidamente muito abaixo da sua luminosidade original em apenas um ano. Observações em 2022 e 2023 mostraram que a estrela desapareceu essencialmente no visível e no infravermelho próximo, tornando-se 10.000 vezes menos brilhante nestes comprimentos de onda. O seu remanescente é agora apenas detectável no infravermelho médio, onde brilha com apenas um-décimo do brilho anterior.

Comparando estas observações com previsões teóricas, os pesquisadores concluíram que o dramático desvanecimento da estrela para uma fração tão pequena do seu brilho total original constitui uma forte evidência de que o seu núcleo colapsou e se tornou um buraco negro. As estrelas fundem hidrogênio em hélio nos seus núcleos, e esse processo gera uma pressão externa para equilibrar a incessante atração interna da gravidade. Quando uma estrela massiva, cerca de 10 ou mais vezes mais massiva do que o nosso Sol, começa a ficar sem combustível, o equilíbrio entre as forças internas e externas é perturbado. A gravidade começa a colapsar a estrela, e o seu núcleo sucumbe primeiro para formar uma densa estrela de nêutrons no centro. Muitas vezes, a emissão de neutrinos neste processo gera uma poderosa onda de choque que é suficientemente explosiva para rasgar a maior parte do núcleo e das camadas exteriores numa supernova. No entanto, se a onda de choque de neutrinos não conseguir empurrar o material estelar para fora, a teoria há muito que sugere que a maior parte do material estelar cairia de novo na estrela de nêutrons, formando um buraco negro.

As observações e análises de M31-2014-DS1 permitiram à equipe reinterpretar as observações de uma estrela semelhante, NGC 6946-BH1. Isto levou a um importante avanço na compreensão do que aconteceu às camadas exteriores que envolveram a estrela depois desta não ter conseguido entrar em supernova e ter colapsado num buraco negro, devido à convecção.

A convecção é um subproduto das grandes diferenças de temperatura no interior da estrela. O material perto do centro da estrela é extremamente quente, enquanto as regiões exteriores são muito mais frias. Esta diferença faz com que os gases no interior da estrela se desloquem das regiões mais quentes para as mais frias. Quando o núcleo da estrela entra em colapso, o gás nas suas camadas exteriores continua a mover-se rapidamente devido a esta convecção.

O gás em movimento em torno deste buraco negro recém-formado continua na sua órbita caótica, mesmo quando é lentamente puxado para dentro. Assim, a lenta queda gerada pela convecção impede que a estrela inteira colapse diretamente no buraco negro recém-nascido. Em vez disso, os pesquisadores propõem que, mesmo depois do núcleo implodir, uma parte do material cai lentamente ao longo de muitas décadas. Apenas cerca de um por cento do gás do invólucro estelar original cai no buraco negro, alimentando a luz que dele emana atualmente. 

Um artigo foi publicado na revista Science.

Fonte: California Institute of Technology

A explosão de um buraco negro primordial?

Em 2023, uma partícula subatômica chamada neutrino embateu na Terra com uma energia tão elevada que deveria ser impossível.

© NASA (ilustração de buracos negros primordiais)

De fato, não se conhecem fontes no Universo capazes de produzir tal energia, 100.000 vezes mais do que a partícula mais energética alguma vez produzida pelo LHC (Large Hadron Collider), o acelerador de partículas mais potente do mundo.

No entanto, uma equipe de físicos da Universidade de Massachusetts Amherst colocou recentemente a hipótese de que algo assim poderia acontecer quando um tipo especial de buraco negro, chamado "buraco negro primordial quasi-extremo", explodisse.

Numa nova pesquisa, a equipe não só explica o neutrino, de outro modo impossível, como mostra que a partícula elementar pode revelar a natureza fundamental do Universo. Os buracos negros existem e compreendemos bem o seu ciclo de vida: uma estrela velha e grande fica sem combustível, implode numa supernova poderosa e massiva e deixa para trás uma área do espaço-tempo com uma gravidade tão intensa que nada, nem mesmo a luz, consegue escapar. Estes buracos negros são incrivelmente pesados e são essencialmente estáveis.

Mas, tal como o físico Stephen Hawking referiu em 1970, outro tipo de buraco negro, um buraco negro primordial (BNP), poderia ser criado não pelo colapso de uma estrela, mas a partir das condições primordiais do Universo, pouco depois do Big Bang. Até agora, os BNPs existem apenas em teoria e, tal como os buracos negros normais, são tão densos que quase nada lhes consegue escapar. No entanto, apesar da sua densidade, os BNPs podem ser muito mais leves do que os buracos negros que observamos até agora. Além disso, Hawking mostrou que os buracos negros primordiais podiam emitir lentamente partículas, através do que é agora conhecido como "radiação Hawking", se ficassem suficientemente quentes.

À medida que os BNPs se evaporam, tornam-se cada vez mais leves e, portanto, mais quentes, emitindo ainda mais radiação num processo descontrolado até à explosão. É essa radiação Hawking que os telescópios conseguem detectar. Se uma tal explosão fosse observada, forneceria um catálogo definitivo de todas as partículas subatômicas existentes, incluindo as que já observamos, como os elétrons, os quarks e os bósons de Higgs, as partículas de matéria escura, e as demais que são desconhecidas para a ciência.

A equipe demonstrou anteriormente que tais explosões poderiam ocorrer com uma frequência surpreendente, mais ou menos a cada década, e os atuais instrumentos de observação do cosmos poderiam registar estas explosões. Até aqui, tudo teórico. 

Então, em 2023, uma experiência chamada Colaboração KM3NeT (Cubic Kilometre Neutrino Telescope) captou esse tal neutrino impossível, exatamente o tipo de evidência que a equipe supôs que poderíamos ver em breve. Mas houve um contratempo: uma experiência semelhante, chamada IceCube, também criada para captar neutrinos cósmicos altamente energéticos, não só não registou o acontecimento, como até nunca tinha registado nada com um centésimo da sua potência.

Se o Universo é relativamente denso em BNPs, e estes explodem frequentemente, não deveríamos ser inundados por neutrinos de alta energia? O que é que pode explicar esta discrepância?

É possível que os BNPs com uma "carga escura", a que chamamos buracos negros primordiais quasi-extremos, são o elo que falta. A carga escura é essencialmente uma cópia da força elétrica habitual tal como a conhecemos, mas que inclui uma versão muito pesada e teórica do elétron. A equipe está confiante de que o seu modelo de BNPs com carga escura não só pode explicar o neutrino, como também pode responder ao mistério da matéria escura.

As observações de galáxias e do fundo cósmico de micro-ondas sugerem que existe algum tipo de matéria escura. Se a hipótese de carga escura for verdadeira, então é provável que poderá haver uma população significativa de BNPs, o que seria consistente com outras observações astrofísicas e explicaria toda a matéria escura em falta no Universo. Agora os cientistas podem estar à beira de verificar experimentalmente a radiação Hawking, obter evidências da existência de buracos negros primordiais e de novas partículas para além do Modelo Padrão, e explicar o mistério da matéria escura.

Um artigo foi publicado no periódico Physical Review Letters.

Fonte: University of Massachusetts

O buraco negro da Via Láctea esconde um passado explosivo

O buraco negro supermassivo da Via Láctea é famoso por ser um dos mais fracos do Universo. Os resultados de um novo telescópio espacial mostram que pode nem sempre ter sido esse o caso.

© STScI (imagem infravermelha de Sagitário B2)

Sagitário A*, localizado no centro da Via Láctea, parece ter-se inflamado dramaticamente em algum momento nas últimas centenas de anos, de acordo com as emissões de raios X observadas pelo telescópio espacial XRISM (X-Ray Imaging and Spectroscopy Mission). Estas descobertas surpreendentes revelam novos pormenores sobre a evolução dos buracos negros supermassivos. Também ensinam aos astrônomos lições sobre a história do nosso lar cósmico.

Astrônomos mediram os raios X provenientes de uma nuvem gigante de gás perto do centro da Galáxia. As suas descobertas oferecem fortes evidências de que a nuvem está brilhando em resposta a um surto passado de Sagitário A*. 

Muitos buracos negros supermassivos são brilhantes porque o gás à sua volta aquece e emite radiação altamente energética. Em contraste, Sagitário A* quase não brilha. É um dos buracos negros mais tênues conhecidos no Universo, apenas visível porque está muito próximo da Terra. Várias grandes nuvens moleculares flutuam ao redor de Sagitário A* e podem atuar como espelhos cósmicos, refletindo os flashes de raios X do buraco negro. Os telescópios espaciais anteriores conseguiram detectar estes lampejos, mas não com resolução energética suficiente para examinar a sua estrutura fina ou determinar o que os produziu.

O XRISM mudou isso. O telescópio foi lançado em 2023 através de uma parceria entre a NASA e a JAXA. As suas primeiras observações são muito aguardadas porque representam uma grande melhoria em relação a todos os telescópios espaciais existentes em termos de resolução energética. A maioria dos telescópios espaciais de raios X consegue distinguir a energia de um fóton até cerca de uma parte em 10, ou mesmo 100. O XRISM consegue resolver uma parte em 1.000. As novas imagens são como passar de uma Polaroid para uma imagem tecnicolor de alta-definição.

© STScI (mapa maior do Centro Galáctico mostrando Sgr A*)

Os astrônomos fizeram zoom em duas linhas de emissão de raios X extremamente estreitas provenientes de uma das nuvens moleculares. Medindo as suas energias e formas com uma precisão inovadora, conseguiram determinar o movimento da nuvem e compará-lo com observações rádio anteriores. Também examinou características sutis no espectro para testar duas explicações diferentes para o brilho da nuvem. Esses pormenores excluíram a ideia de que os raios cósmicos eram os responsáveis e, em vez disso, mostraram que a nuvem está refletindo um surto de raios X de Sagitário A*, efetivamente um "eco de luz" do passado.

Estudando várias nuvens em diferentes distâncias do buraco negro, os astrônomos podem reconstruir uma linha temporal destas antigas erupções, tal como se usassem ecos atrasados para mapear a forma de uma gruta. Os dados mostram pela primeira vez como a resolução energética do XRISM pode medir características extremamente finas no Universo.

Um artigo foi publicado no periódico The Astrophysical Journal Letters.

Fonte: Michigan State University