Primeira imagem direta de buraco negro expelindo um poderoso jato

Os astrônomos observaram, pela primeira vez numa mesma imagem, a sombra do buraco negro situado no centro da galáxia Messier 87 (M87) e o poderoso jato que este objeto lança para o espaço.

© MPIfR / NRAO (imagem do jato e sombra do buraco negro de M87)

As observações foram efetuadas em 2018, com telescópios pertencentes às redes GMVA (Global Millimetre VLBI Array), ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, e GLT (Greenland Telescope). 

Esta nova imagem ajuda os astrônomos a compreender melhor o processo que faz com que os buracos negros liberem jatos tão energéticos. A maioria das galáxias abriga um buraco negro supermassivo no seu centro. Embora sejam conhecidos por engolir matéria da sua vizinhança imediata, os buracos negros podem também lançar poderosos jatos de matéria que se estendem para além das galáxias que os acolhem.

Compreender como é que os buracos negros criam jatos tão grandes tem sido um problema de longa data na astronomia. Para estudar diretamente este fenômeno, temos que observar a origem do jato tão perto do buraco negro quanto possível.

A nova imagem mostra pela primeira vez isto mesmo: como a base de um jato se liga com a matéria que gira em torno de um buraco negro supermassivo. O alvo é a galáxia M87, localizada a 55 milhões de anos-luz, na nossa vizinhança cósmica, e que acolhe um buraco negro 6,5 bilhões de vezes mais massivo do que o Sol. 

Observações anteriores tinham conseguido obter imagens separadas da região próxima do buraco negro e do jato, no entanto, esta é a primeira vez que ambas as estruturas foram observadas em conjunto. A imagem foi obtida com o GMVA, o ALMA e o GLT, que formam uma rede de radiotelescópios global, operando em conjunto como se fosse um telescópio virtual gigante do tamanho da Terra, técnica chamada interferometria, que sincroniza os sinais captados por cada infraestrutura individual. Com uma rede de telescópios assim tão grande podemos observar detalhes muito pequenos na região em torno do buraco negro de M87.

A nova imagem mostra o jato emergindo próximo do buraco negro, bem como a sombra do próprio buraco negro. À medida que orbita o buraco negro, a matéria aquece e emite luz. O buraco negro curva e captura alguma desta luz, criando uma estrutura semelhante a um anel em torno do buraco negro, quando visto a partir da Terra. A escuridão no centro do anel é a sombra do buraco negro, da qual foram obtidas pela primeira vez imagens com o telescópio EHT (Event Horizon Telescope), em 2017. Tanto esta nova imagem como a obtida anteriormente com o EHT, combinam dados coletados por vários radiotelescópios de todo o mundo, mas a imagem divulgada hoje mostra a radiação de rádio emitida em um comprimento de onda maior do que a do EHT, ou seja, 3,5 mm em vez de 1,3 mm. O tamanho do anel observado pela rede GMVA é cerca de 50% maior do que o da imagem obtida com o EHT.

Estão previstas observações futuras com esta rede de telescópios, para se continuar  investigando como é que os buracos negros supermassivos podem lançar jatos tão poderosos. Este tipo de observações simultâneas permitirão o estudo dos complicados processos que ocorrem perto do buraco negro supermassivo.

Um artigo foi publicado na revista Nature. 

Fonte: ESO

Um possível buraco negro fugitivo criando um rasto de estrelas

Há um monstro invisível à solta e viajando pelo espaço intergaláctico tão depressa que se estivesse no nosso Sistema Solar, podia viajar da Terra à Lua em 14 minutos.

© STScI (ilustração de buraco negro supermassivo fugitivo)

Este buraco negro supermassivo, com até 20 milhões de vezes a massa do Sol, deixou para trás um rasto de estrelas recém-nascidas com o dobro do diâmetro da nossa Galáxia, a Via Láctea. É provavelmente o resultado de um raro e bizarro "jogo de bilhar" galáctico entre três buracos negros enormes. Em vez de engolir estrelas à sua frente, como um Pac-Man cósmico, o buraco negro veloz está lavrando gás à sua frente para desencadear a formação de novas estrelas ao longo de um corredor estreito. 

O buraco negro está viajando demasiado depressa para se alimentar. Nunca se tinha visto nada assim, mas foi captado por acidente pelo telescópio espacial Hubble. Deve ter muitas estrelas novas, dado que tem quase metade do brilho da galáxia hospedeira a que está ligado. O buraco negro encontra-se numa das extremidades da coluna que se estende até à sua galáxia progenitora. Há um nó extremamente brilhante de oxigênio ionizado na ponta mais externa da coluna. Os pesquisadores pensam que o gás é provavelmente aquecido pelo movimento do buraco negro quando o atinge, ou pode ser radiação de um disco de acreção em torno do buraco negro.

Por ser tão estranho, os astrônomos fizeram espectroscopia de acompanhamento com os Observatórios W. M. Keck no Havaí. Isto levou à conclusão de que estavam a observando o rescaldo de um buraco negro voando através de um halo de gás que rodeava a galáxia hospedeira. 

Os astrônomos suspeitam que as duas primeiras galáxias se tenham fundido há talvez 50 milhões de anos. Isso juntou dois buracos negros supermassivos nos seus centros. Giravam um à volta do outro como um buraco negro binário. Depois surgiu outra galáxia com o seu próprio buraco negro supermassivo. Esta mistura de três buracos negros supermassivos levou-os a uma configuração caótica e instável. Um dos buracos negros roubou momento aos outros dois e foi expulso da galáxia hospedeira. O binário original pode ter permanecido intacto, ou o novo buraco negro intruso pode ter substituído um dos dois que estavam no binário original e expulso o companheiro anterior. 

Quando o buraco negro individual foi expelido numa direção, os buracos negros do binário foram disparados na direção oposta. Há uma característica vista no lado oposto da galáxia hospedeira que pode ser o buraco negro binário fugitivo. Uma evidência circunstancial disto é que não existem sinais de um buraco negro ativo no núcleo da galáxia. 

O próximo passo é fazer observações de acompanhamento com o telescópio espacial James Webb e com o observatório de raios X Chandra para confirmar a explicação proposta pelos pesquisadores. O futuro telescópio espacial Nancy Grace Roman da NASA terá uma visão de grande angular do Universo com a requintada resolução do Hubble. Como um telescópio de levantamento, isto pode exigir aprendizagem de máquina, utilizando algoritmos para encontrar formas estranhas específicas num mar de outros dados astronômicos. 

Um artigo foi publicado no periódico The Astrophysical Journal Letters. 

Fonte: Space Telescope Science Institute

A gravidade curva a luz para revelar um dos maiores buracos negros

Uma equipe de astrônomos, liderada pelo Dr. James Nightingale do Departamento de Física da Universidade de Durham, descobriu um dos maiores buracos negros jamais encontrados, através  do fenômeno de lente gravitacional.

© Hubble (Abell 1201)

A imagem acima mostra a galáxia elíptica Abell 1201 focalizada pelo telescópio espacial Hubble, onde o quadro à esquerda destaca a região do infravermelho próximo e o quadro à direita destaca a região do óptico.

As lentes gravitacionais - onde uma galáxia em primeiro plano curva a luz de um objeto mais distante e a amplia - e as simulações de supercomputador nas instalações DiRAC (Distributed Research Utilising Advanced Computing) HPC (High Performance Computing) permitiram à equipe examinar de perto como a luz é "dobrada" por um buraco negro no interior de uma galáxia a centenas de milhões de anos-luz da Terra.

A equipe simulou luz que viajava pelo Universo centenas de milhares de vezes, com cada simulação incluindo um buraco negro de massa diferente, mudando a viagem da luz à Terra. Quando os pesquisadores incluíram um buraco negro ultramassivo numa das suas simulações, o percurso tomado pela luz da galáxia distante, até chegar à Terra, coincidiu com o percurso visto em imagens reais captadas pelo telescópio espacial Hubble. 

Foi encontrado um buraco negro ultramassivo, um objeto com mais de 30 bilhões de vezes a massa do nosso Sol, na galáxia em primeiro plano, uma escala raramente vista pelos astrônomos. A maioria dos maiores buracos negros que conhecemos estão num estado ativo, onde a matéria que é puxada para perto do buraco negro aquece e libera energia sob a forma de luz, raios X e outros tipos de radiação. 

A lente gravitacional torna possível o estudo de buracos negros inativos, algo atualmente não possível em galáxias distantes. Esta abordagem poderia permitir aos astrônomos descobrir muitos mais buracos negros inativos e ultramassivos do que se pensava anteriormente e investigar como ficaram tão grandes.

A história desta descoberta em particular começou em 2004 quando o astrônomo da Universidade de Durham, o professor Alastair Edge, notou um arco gigante de uma lente gravitacional ao rever imagens de um levantamento de galáxias. Avançando rapidamente 19 anos com a ajuda de algumas imagens de altíssima resolução pelo telescópio espacial Hubble e das instalações do supercomputador DiRAC COSMA8 da Universidade de Durham, o Dr. Nightingale e a sua equipe puderam revisitá-lo e explorá-lo mais a fundo. 

Espera-se que este seja o primeiro passo para permitir uma exploração mais profunda dos mistérios dos buracos negros e que os futuros grandes telescópios ajudem os astronomos a estudar buracos negros ainda mais distantes para aprenderem mais sobre o seu tamanho e escala. 

Este é o primeiro buraco negro encontrado usando lentes gravitacionais e as descobertas foram publicadas no periódico Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 

Fonte: Royal Astronomical Society

Uma galáxia poderosa e solitária

Quando o Universo tinha apenas um terço de sua idade atual, a maioria dos aglomerados de galáxias ainda estava se formando. Agora, as observações revelam que um deles já estava no jogo final: a galáxia 3C 297.

© Chandra / VLA / Gemini (galáxia 3C 297)

Os dados de raios X do Chandra são coloridos em roxo nesta imagem, mostrando o halo de gás quente que envolve 3C 297. Os dados de rádio do Very Large Array são vermelhos e destacam os jatos movidos de buracos negros. Os dados de luz visível do telescópio Gemini são verdes e vêm principalmente da própria galáxia. Dados de luz visível e infravermelho do telescópio espacial Hubble (azul e laranja, respectivamente) também foram incluídos. O campo de visão desta imagem é muito pequeno para mostrar qualquer uma das galáxias circundantes, nenhuma das quais está à mesma distância de 3C 297. 

Este chamado grupo fóssil consiste em apenas uma galáxia, porque já comeu todas as suas companheiras. Os astrônomos há muito estudam 3C 297, uma galáxia elíptica gigante que hospeda um buraco negro supermassivo e um poderoso jato alimentado por um buraco negro que se estende por cerca de 140.000 anos-luz no espaço intergaláctico. Sua luz viajou 9,2 bilhões de anos-luz até a Terra. 

O poder de tais galáxias, gravitacional ou não, é conhecido por influenciar seu ambiente. Então, Valentina Missaglia (Universidade de Torino, Itália) e seus colegas começaram a explorar seus arredores em detalhes. As imagens do observatório de raios X Chandra revelaram gás de milhões de graus ao redor da galáxia, o tipo de halo de gás típico de grupos com muitos membros. As características do jato de dois lóbulos saindo do centro da galáxia também indicam a largura do halo de gás. Um lóbulo está dobrado, como visto anteriormente em observações de rádio, e o outro colidiu com o gás circundante, iluminando-se em raios X. Ambas as características apontam para um halo de gás gigante e com muitas companheiras.

Mas medições espectroscópicas com o Observatório Gemini no Havaí mostram que nenhuma das galáxias que cerca de 3C 297 está perto dela, elas estão alinhadas apenas por acaso. Quaisquer companheiras que as observações possam ter perdido teriam que ser 10 vezes mais fracas que a nossa, colocando-as na ordem das galáxias anãs.

O cenário mais provável que explicaria todas as observações é que 3C 297 era um grupo de galáxias, mas em apenas alguns bilhões de anos conseguiu assimilar todas elas. Se este grupo for um fóssil, é um recordista, residindo em um Universo de apenas 4,5 bilhões de anos. O recordista anterior existia 5,8 bilhões de anos após o Big Bang. Isto começa a ultrapassar os limites da rapidez com que as galáxias e os aglomerados de galáxias devem ter se formado. 

Para confirmar a descoberta, a pesquisadora gostaria de ver um censo mais completo das galáxias ao seu redor. Pode ser que estejamos vendo um grupo fóssil em um estágio anterior de evolução. Ao contrário de outros grupos de fósseis, cujos halos de raios X não são notáveis, o halo em torno de 3C 297 “parece um tanto perturbado”. Isso pode ser devido a uma fusão recente, o que significa que a galáxia acabou de absorver suas companheiras.

Um artigo foi publicado no periódico The Astrophysical Journal. 

Fonte: Sky & Telescope

Tudo, em um só lugar, de uma só vez

Esta imagem luminosa mostra a galáxia espiral Z 229-15, fotografada com belos detalhes pelo telescópio espacial Hubble, um objeto celeste que fica a cerca de 390 milhões de anos-luz da Terra, na constelação de Lyra.

© Hubble (galáxia Z 229-15)

Na imagem, nota-se que Z 229-15 tem dois braços quase retos vindos da esquerda e da direita do núcleo que encontram um anel estrelado ao redor da borda da galáxia. O anel é de cor azulada e o núcleo é dourado e brilhante. Um fraco halo de luz também envolve a galáxia. Há uma estrela brilhante com muitos picos de difração e algumas estrelas pequenas ao redor em um fundo preto.

A galáxia Z 229-15 é um daqueles objetos celestes interessantes que, se você decidir pesquisá-lo, encontrará vários aspectos diferentes: às vezes como um núcleo galáctico ativo (um AGN); às vezes como um quasar; e às vezes como uma galáxia Seyfert. Qual destes é realmente o Z 229-15? 

A resposta é que são todas essas coisas ao mesmo tempo, porque essas três definições têm uma sobreposição significativa. Os AGNs e quasares são descritos em detalhes no Hubble Word Bank, mas, em essência, um AGN é uma pequena região no núcleo de certas galáxias (chamadas de galáxias ativas) que é muito mais brilhante do que apenas as estrelas da galáxia seriam. 

A luminosidade extra se deve à presença de um buraco negro supermassivo no núcleo da galáxia. O material sugado para um buraco negro na verdade não cai diretamente nele, mas é atraído para um disco giratório, de onde é inexoravelmente puxado em direção ao buraco negro. Este disco de matéria fica tão quente que libera uma grande quantidade de energia em todo o espectro eletromagnético, e é isso que faz os AGNs parecerem tão brilhantes.

Os quasares são um tipo particular de AGN; eles são tipicamente extremamente brilhantes e distantes da Terra, várias centenas de milhões de anos-luz são considerados próximos para um quasar, tornando Z 229-15 positivamente local. 

Frequentemente, um AGN é tão brilhante que o resto da galáxia não pode ser visto, mas as galáxias Seyfert são galáxias ativas que hospedam AGNs (quasares) muito brilhantes, enquanto o resto da galáxia ainda é observável. Então Z 229-15 é uma galáxia Seyfert que contém um quasar e que, por definição, hospeda um AGN. A classificação em astronomia pode ser um desafio! 

Fonte: ESA

A erupção de uma estrela de nêutrons análoga aos buracos negros

Uma equipe internacional liderada pelo IAC (Instituto de Astrofísica das Canárias) encontrou uma estrela de nêutrons que captura matéria de uma estrela companheira através de um processo violento e instável.

© IAC (ilustração de um sistema estelar binário de raios X)

Este mecanismo, anteriormente observado apenas em buracos negros muito brilhantes, mostra que a chamada "instabilidade de acreção" é na realidade um processo físico fundamental. Além disso, esta descoberta abre um novo cenário geral que explica a extrema acreção de matéria em objetos compactos.

Os binários de raios X são sistemas formados por um objeto compacto, uma estrela de nêutrons ou um buraco negro, e uma estrela de tamanho semelhante ao Sol. O objeto compacto engole matéria da estrela companheira através de um disco que emite grandes quantidades de luz, especialmente em raios X. Este processo em que o objeto compacto atrai matéria, conhecido como acreção, ocorre normalmente em erupções violentas durante as quais o sistema se torna até mil vezes mais brilhante. Além disso, parte do material removido que espirala em direção ao objeto compacto no disco é ejetado de volta para o espaço através de ventos ou sob a forma de jatos de matéria.

O binário de raios X conhecido como Swift J1858.6-0814 foi descoberto em 2018 durante um destes espetaculares episódios eruptivos, intrigando a comunidade astronômica desde as primeiras observações. 

O sistema mostrou surtos incríveis durante um ano, emitindo em todos os comprimentos de onda desde o rádio até aos raios X. A origem desta radiação permanecia desconhecida, mas eram tão brilhantes que a comunidade científica pensava que o objeto compacto devia ser um buraco negro. No entanto, a descoberta de explosões termonucleares em 2020 identificou a presença de uma superfície sólida no objeto compacto, confirmando assim que Swift J1858.6-0814 contém uma estrela de nêutrons. 

Foi descoberto que Swift J1858 exibe as mesmas instabilidades exóticas e acrecionárias que GRS 1915+105, um buraco negro que serviu de pedra de Roseta para decifrar o complexo comportamento desta estrela de nêutrons. Estas instabilidades ocorrem em luminosidades muito altas, dando origem a oscilações de grande amplitude do disco de acreção e a fortes ejeções de matéria.

Este resultado foi obtido graças a uma intensa e simultânea campanha de observação em vários comprimentos de onda e com cinco telescópios espaciais e terrestres. Entre estes, encontra-se também o telescópio Liverpool no Observatório Roque de los Muchachos, em La Palma. 

Com vista à observação futura, a recente descoberta fornece à comunidade científica novos ingredientes para compreender a origem das instabilidades acrecionárias.

Um artigo foi publicado na revista Nature. 

Fonte: University of Oxford

A dança de buracos negros supermassivos

Um estudo a longo prazo com dados de quatro telescópios, desde o rádio a altas frequências, penetrou no núcleo da muito discutida galáxia ativa OJ 287, revelando mais detalhes sobre o seu interior.

© NASA / JPL-Caltech (galáxia OJ 287)

O painel da esquerda mostra uma imagem ultravioleta profunda de OJ 287 e do seu ambiente obtida com o telescópio Swift. Esta é uma das imagens ultravioleta (UV) mais profundas daquela parte do céu alguma vez tirada, combinando 560 exposições individuais. A fonte mais brilhante no campo é OJ 287. A região do buraco negro binário, propriamente dita, não pode ser resolvida na imagem UV. O painel da direita representa uma ilustração do núcleo de OJ 287, incluindo o disco de acreção, o jato e um segundo buraco negro em órbita do buraco negro primário que tem uma massa de 100 milhões de massas solares.

Os resultados da equipe internacional, liderada por Stefanie Komossa do Instituto Max Planck para Radioastronomia, reforçam as evidências de um buraco negro binário e colocam novamente o buraco negro primário na "balança". 

Os blazares são uma classe especial de galáxias ativas caracterizadas por uma atividade elevada e luminosidade extrema. Os "motores" destas galáxias são buracos negros escondidos dentro dos seus núcleos, milhões a bilhões de vezes mais massivos do que o nosso Sol. 

Estes "motores" foram alimentados ao longo da história do Universo, especialmente quando as galáxias colidiam. A fusão subsequente das galáxias criou buracos negros binários supermassivos. O estudo de tais pares de buracos negros revela muito sobre a evolução das galáxias e sobre o crescimento dos buracos negros. 

OJ 287 é uma das melhores candidatas a acolher um buraco negro binário supermassivo e compacto. Uma indicação disto são as explosões excepcionais de radiação produzidas por processos no centro da galáxia, que se repetem a cada 11 a 12 anos. Cada explosão consiste em dois picos separados por cerca de um ano. Estas explosões repetidas são tão notáveis que vários modelos binários diferentes foram propostos e discutidos na literatura com o intuito de os explicar. 

A equipe reviu agora o modelo anteriormente preferido, finalizando uma campanha de observação sistemática e sem precedentes. No processo, os pesquisadores também determinaram diretamente, e pela primeira vez, a massa do buraco negro primário. Com 100 milhões de massas solares, é provavelmente cerca de cem vezes menor do que se pensava. A nova estimativa da massa do buraco negro parece também explicar toda a história dos surtos de radiação de OJ 287, que foram agora mapeadas com grande detalhe. 

A galáxia OJ 287 está demasiado longe para os telescópios resolverem o núcleo compacto em torno dos buracos negros suspeitos. Contudo, uma vez que esta região domina o brilho de toda a galáxia, a radiação que emerge do núcleo é facilmente detectável na Terra e permite aos astrônomos reconstruir, com algumas limitações, os processos escondidos no interior do núcleo brilhante. 

A matéria de um disco que rodeia o buraco negro e que se desloca para dentro perde energia gravitacional sob a forma de radiação óptica e UV. Um jato lançado dos arredores do "motor" central acelera as partículas para longe. Este fluxo de matéria muitas vezes altamente relativista emite radiação intensa que vai desde o rádio até aos raios X e raios gama. 

OJ 287 é um excelente laboratório para estudar os processos físicos que reinam num dos ambientes astrofísicos mais extremos: discos e jatos de matéria nas imediações de um ou dois buracos negros supermassivos, estudado através do projeto MOMO (Multiwavelength Observations and Modelling of OJ 287). Consiste em observações de alta cadência de OJ 287 em mais de 14 frequências, desde o rádio até às altas energias com a duração de anos, e acompanhamentos dedicados em múltiplas instalações terrestres e espaciais quando o blazar se encontra em estados excepcionais. 

Os surtos de OJ 287 podem ser explicados pelo modelo de um buraco negro binário, em particular pelo movimento do segundo buraco negro, de massa mais baixa, em órbita do buraco negro primário. Na sua órbita inclinada, perturba ou o jato ou o disco de matéria, provocando assim as explosões periódicas de OJ 287. 

As medições com o radiotelescópio de Effelsberg de 100 metros atribuem o surto mais recente diretamente ao jato. É como olhar para um foco luminoso que brilha mais do que tudo o que está por detrás dele. O modelo mais avançado que descreve os processos no centro de OJ 287 assumiu um buraco negro primário cem bilhões de vezes mais massivo do que o Sol.  De acordo com este modelo, o próximo surto teria tido lugar em outubro de 2022. Os dados reais não confirmaram esta previsão. Ao invés, graças à densa cobertura da campanha MOMO, os astrônomos descobriram este surto muito mais cedo, entre 2016 e 2017. 

Os pesquisadores reavaliaram então a massa do buraco negro primário. Ao que parece, o buraco negro é 100 vezes mais leve do que se pensava anteriormente. Como resultado, a órbita do buraco negro secundário em torno do buraco negro primário deveria oscilar muito menos. Este comportamento tem implicações diretas nas explosões previstas, que são agora consistentes tanto com medições histórias como recentes.

Os futuros observatórios espaciais poderão ser capazes de detectar ondas gravitacionais deste ou de sistemas binários semelhantes. Pode até ser possível resolver espacialmente os dois buracos negros em OJ 287 com uma grande rede de radiotelescópios, tal como o EHT (Event Horizon Telescope) ou o SKA (Square Kilometre Array), este ainda em construção. Esta seria a primeira detecção direta de um sistema íntimo constituído por dois buracos negros supermassivos no centro de uma galáxia. 

Foram publicados dois artigos científicos nos periódicos: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society e The Astrophysical Journal. 

Fonte: Max Planck Institute for Radio Astronomy

Descoberto buracos negros gigantes em rota de colisão

Os astrônomos descobriram as primeiras evidências de buracos negros gigantes em galáxias anãs em rotas de colisão.

© Chandra / CFTH (dois pares de buracos negros)

Os dois pares são vistos em raios-X pelo Chandra e no visível pelo telescópio CFHT. A fusão à esquerda encontra-se numa fase tardia e foi-lhe atribuído o nome único de Mirabilis. A outra fusão está na fase inicial e as duas galáxias anãs chamam-se Elstir (em baixo) e Vinteuil (em cima).

Este resultado do Observatório de raios X Chandra da NASA tem ramificações importantes para compreender como a primeira vaga de buracos negros e galáxias cresceram no Universo primitivo. As colisões entre pares de galáxias anãs identificadas num novo estudo puxaram gás para os buracos negros gigantes que cada uma contém, provocando o seu crescimento. Eventualmente, a provável colisão dos buracos negros irá levá-los a fundir-se em buracos negros muito maiores. Os pares de galáxias se fundirão também numa só. 

Os cientistas pensam que o Universo teve imensas galáxias pequenas, conhecidas como "galáxias anãs", várias centenas de milhões de anos após o Big Bang. A maior parte fundiu-se com outras no Universo primitivo, de volume menor e apinhado, pondo em movimento a construção de galáxias cada vez maiores, agora vistas no Universo próximo. 

Por definição, as galáxias anãs contêm estrelas com uma massa total inferior a cerca de 3 bilhões de vezes a do Sol, em comparação com a massa total de cerca de 60 bilhões de sóis estimada para a Via Láctea. As primeiras galáxias anãs são impossíveis de observar com a tecnologia atual porque são extremamente fracas a distâncias tão grandes. 

Os astrônomos foram capazes de observar duas no processo de fusão a distâncias muito menores da Terra, mas sem sinais de buracos negros em ambas as galáxias.

O novo estudo superou desafios implementando um levantamento sistemático de observações de raios X pelo Chandra e comparando-as com dados infravermelhos do WISE (Wide Infrared Survey Explorer) da NASA e dados ópticos do CFHT (Canada-France-Hawaii Telescope). O Chandra foi especialmente valioso para este estudo porque o material que envolve os buracos negros pode ser aquecido a milhões de graus, produzindo grandes quantidades de raios X. 

A equipe procurou pares de fontes de raios X brilhantes em galáxias anãs em colisão como evidências de dois buracos negros, e descobriu dois exemplos. Um par encontra-se no aglomerado de galáxias Abell 133, localizado a 760 milhões de anos-luz da Terra. O outro está no aglomerado de galáxias Abell 1758S, a mais ou menos 3,2 bilhões de anos-luz. Ambos os pares mostram estruturas que são sinais característicos de colisões galácticas.

O par em Abell 133 parece estar nas fases finais de uma fusão entre as duas galáxias anãs e mostra uma longa cauda provocada pelos efeitos de maré da colisão. Os autores do novo estudo apelidaram-no de "Mirabilis" em honra a uma espécie ameaçada de beija-flor conhecida por ter caudas excecionalmente longas. Foi escolhido apenas um nome porque a fusão das duas galáxias, numa só, está quase completa. Em Abell 1758S, os pesquisadores apelidaram as galáxias anãs de "Elstir" e "Vinteuil", em honra aos artistas fictícios do romance "Em Busca do Tempo Perdido" de Marcel Proust. 

Eles pensam que estas duas foram apanhadas nas fases iniciais de uma fusão, fazendo com que uma ponte de estrelas e gás ligasse as duas galáxias em colisão. Os detalhes da fusão de buracos negros e galáxias anãs podem fornecer uma visão do próprio passado da Via Láctea. Os cientistas pensam que quase todas as galáxias começaram como anãs ou outros tipos de galáxias pequenas e cresceram ao longo de bilhões de anos através de fusões.

A maioria das galáxias anãs e dos buracos negros no início do Universo já devem ter crescido muito mais, graças a repetidas fusões. Em alguns aspetos, as galáxias anãs são os nossos antepassados galácticos, que evoluíram ao longo de bilhões de anos para produzir grandes galáxias como a nossa própria Via Láctea. As observações de acompanhamento destes dois sistemas permitirá estudar processos que são cruciais para a compreensão das galáxias e dos seus buracos negros primordiais.

O artigo científico que descreve estes resultados está sendo publicado na edição mais recente do periódico The Astrophysical Journal. 

Fonte: Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics

Evidência observacional que liga os buracos negros à energia escura

Pesquisando dados existentes que abrangem 9 bilhões de anos, uma equipe de pesquisadores liderada por cientistas da Universidade do Havaí descobriu a primeira evidência de "acoplamento cosmológico", ou seja, um fenômeno recentemente previsto na teoria da gravidade de Einstein, possível apenas quando são colocados buracos negros dentro de um Universo em evolução.

© U. Havaí (ilustração de um buraco negro supermassivo)

Os astrofísicos Duncan Farrah, do Instituto para Astronomia e do Departamento de Física e Astronomia, e Kevin Croker, professor de física e astronomia, lideraram este ambicioso estudo, combinando a perícia em evolução galáctica e a teoria da gravidade com a experiência de observação e análise de pesquisadores de nove países para fornecer as primeiras informações sobre o que poderá existir dentro de buracos negros reais.

A equipe estudou os buracos negros supermassivos nos núcleos de galáxias antigas e inativas. Foi descoberto que estes buracos negros ganham massa ao longo de bilhões de anos de uma forma que não pode ser facilmente explicada pelos processos normais da galáxia e dos buracos negros, tais como fusões ou acreção de gás. O crescimento em massa destes buracos negros corresponde às previsões para os buracos negros que não só se acoplam cosmologicamente, mas também incluem energia de vácuo, material que resulta do aperto de matéria tanto quanto possível sem quebrar as equações de Einstein, evitando assim uma singularidade. Com a ausência de singularidades, a energia de vácuo combinada dos buracos negros produzidos nas mortes das primeiras estrelas do Universo está em acordo com a quantidade medida de energia escura no nosso Universo.

"Estamos realmente dizendo duas coisas ao mesmo tempo: que há evidências de que as soluções típicas dos buracos negros não funcionam a longo prazo, e que temos a primeira fonte astrofísica proposta para a energia escura," disse Farrah. 

Estas novas medições, se apoiada por mais evidências, vão redefinir a nossa compreensão do que é um buraco negro. A equipe determinou como utilizar as medições existentes de buracos negros para procurar um acoplamento cosmológico. 

Os buracos negros são também difíceis de observar durante longos períodos de tempo. As observações podem ser feitas durante alguns segundos, ou dezenas de anos no máximo, tempo insuficiente para detectar como um buraco negro pode mudar ao longo da duração do Universo. Ver como os buracos negros mudam durante uma escala de bilhões de anos é uma tarefa complicada. Seria necessário identificar uma população de buracos negros e obter a sua distribuição de massa há bilhões de anos. Então a mesma população, ou uma população ancestralmente ligada, teria que ser observada nos dias de hoje e novamente ser capaz de medir a sua massa.

Os esforços foram concentrados apenas nos buracos negros em galáxias elípticas em evolução passiva, para resolver esta questão. As galáxias elípticas são enormes e formaram-se cedo. Elas possivelmente são o resultado final de colisões de galáxias, enormes em tamanho e com trilhões de estrelas antigas. Ao olhar apenas para galáxias elípticas sem atividade recente, a equipe pôde argumentar que quaisquer alterações nas massas dos seus buracos negros não poderiam ser facilmente causadas por outros processos conhecidos.

Utilizando estas populações, a equipe examinou como a massa dos seus buracos negros centrais mudou ao longo dos últimos 9 bilhões de anos. Se o crescimento em massa dos buracos negros ocorresse através da acreção ou fusão, então não se esperaria que as massas destes buracos negros mudassem muito. No entanto, se os buracos negros ganharem massa através do acoplamento ao Universo em expansão, então estas galáxias elípticas em evolução passiva poderiam revelar este fenômeno.

Os cientistas descobriram que quanto mais para trás no tempo olhavam, menores eram os buracos negros em massa, em relação às suas massas atuais. Estas mudanças foram grandes: os buracos negros eram hoje 7 a 20 vezes mais massivos do que eram há 9 bilhões de anos, suficientemente grandes para que o acoplamento cosmológico pudesse ser responsável. 

A equipe também analisou se o crescimento dos buracos negros medidos no primeiro estudo podia ser explicado apenas pelo acoplamento cosmológico. Podemos pensar num buraco negro acoplado como um elástico, sendo esticado juntamente com o Universo à medida este se expande. À medida que é esticado, a sua energia aumenta. A equação E = m.c^2 de Einstein diz-nos que a massa e a energia são proporcionais, pelo que a massa do buraco negro também aumenta. Quanto essa massa aumenta depende da força de acoplamento, uma variável chamada de k. Quanto mais forte for o elástico, mais difícil é de esticar, portanto, mais energia tem quando esticado. 

Uma vez que o crescimento em massa dos buracos negros, devido ao acoplamento cosmológico, depende do tamanho do Universo, e o Universo era menor no passado, os buracos negros no primeiro estudo têm que ser menos massivos, no valor correto, para que a explicação do acoplamento cosmológico funcione. 

A equipe examinou cinco populações diferentes de buracos negros em três coleções diferentes de galáxias elípticas, retiradas de quando o Universo tinha aproximadamente metade e um-terço do seu tamanho atual. Em cada comparação, esse k era quase 3. Então todos os buracos negros no Universo contribuem coletivamente com uma densidade de energia escura quase constante, tal como as medições de energia escura sugerem. Os buracos negros provêm de grandes estrelas mortas, por isso se soubermos quantas estrelas grandes são produzidas, podemos estimar quantos buracos negros são também produzidos e quanto crescem como resultado do acoplamento cosmológico.

A equipe utilizou as medições mais recentes do ritmo de formação estelar primitiva fornecidas pelo telescópio espacial James Webb e descobriu que os números alinham. De acordo com os pesquisadores, os seus estudos fornecem um quadro para os físicos teóricos e para os astrônomos continuarem testando e para a atual geração de experiências de energia escura como o DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) e o DES (Dark Energy Survey). 

Este modelo atualmente deve ser considerado como uma hipótese excitante, que pode ser testada experimentalmente com mais estudos dos dados existentes. Se confirmada, representa uma grande mudança na cosmologia e aponta para uma revolução na nossa compreensão do Universo. 

Foram publicados recentemente dois artigos científicos, um no periódico The Astrophysical Journal e o outro no The Astrophysical Journal Letters. 

Fonte: Imperial College London

O vigor dos núcleos galácticos ativos

Alimentados por buracos negros supermassivos que engolem matéria nos centros das galáxias, os Núcleos Galácticos Ativos (NGAs) são as mais poderosas fontes de energia estáveis e compactas do Universo.

© P. Harrington (ilustração de um núcleo galáctico ativo)

Há muito que se sabe que a luz dos NGAs mais brilhantes é superior à luz combinada dos bilhões de estrelas nas suas galáxias hospedeiras. 

Um novo estudo indica que os cientistas subestimaram substancialmente a produção energética destes objetos ao não reconhecerem até que ponto a sua luz é diminuída pela poeira. 

Quando há pequenas partículas intervenientes ao longo da nossa linha de visão, isto faz com que as coisas por detrás delas pareçam mais escuras. Vemos isto ao pôr-do-Sol em qualquer dia claro, quando o Sol parece mais fraco. Embora a possibilidade de a poeira diminuir o brilho da luz dos NGAs já tenha sido reconhecida há muito tempo, os valores específicos eram controversos e pensava-se que eram insignificantes. Nota-se também que a luz ultravioleta de um típico núcleo galáctico ativo é muito atenuada.

A equipe chegou a esta conclusão estudando o efeito que a poeira tem sobre a luz de um dos NGAs mais bem estudados, conhecido como NGC 5548. Tal como a atmosfera da Terra faz com que o Sol pareça mais avermelhado bem como mais escuro ao pôr-do-Sol, também a poeira nos núcleos galácticos ativos faz com que pareçam mais avermelhados do que realmente são. A quantidade de "avermelhamento" está relacionada com a diminuição do brilho. Os cientistas quantificam as cores de algo medindo as proporções da intensidade da sua luz em diferentes comprimentos de onda.

No novo estudo do NGC 5548, os pesquisadores da Universidade da Califórnia, utilizaram sete indicadores diferentes da quantidade de poeira e descobriram que todos eles estão em concordância. Além disso, verificou-se que o escurecimento de NGC 5548 devido à poeira era grande, mais de dez vezes o escurecimento provocado pela poeira quando olhamos para fora da nossa própria Galáxia, a Via Láctea.

As cores do NGC 5548 são típicas de outros núcleos galácticos ativos, o que tem implicações muito abrangentes. Devido aos efeitos de escurecimento da poeira, os NGAs são ainda mais poderosos do que se tinha percebido. Os resultados implicam que, no ultravioleta, onde a maior parte da energia é irradiada, um típico núcleo galáctico ativo está emitindo uma ordem de magnitude mais energia do que se pensava anteriormente. Outra implicação é que os núcleos galácticos ativos são muito semelhantes e o que até agora se pensava serem grandes diferenças fundamentais entre eles são realmente apenas as consequências de diferentes quantidades de "avermelhamento" pela poeira. 

Um artigo sobre as novas descobertas foi publicado no periódico Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 

Fonte: Royal Astronomical Society

Observação inédita da estrutura interna de jato de quasar

Um grupo internacional de cientistas publicou novas observações do primeiro quasar já identificado, conhecido como 3C 273, localizado na constelação de Virgem, que mostram as porções mais internas e profundas do proeminente jato de plasma do quasar.

© Wolfgang Steffen (ilustração do quasar 3C 273)

Os quasares são um dos tipos mais ativos e brilhantes dos buracos negros supermassivos encontrados no núcleo de quase todas as galáxias. Estes buracos negros supermassivos no centro das galáxias emitem jatos estreitos e incrivelmente poderosos de plasma, que escapa em velocidade próxima à da luz. Mas o processo de formação destes jatos ainda é um mistério para astrônomos e astrofísicos. 

O novo estudo inclui observações do jato do quasar 3C 273 na maior resolução angular e na maior profundidade já obtidas em um buraco negro central e traz um novo entendimento sobre a colimação dos jatos, que é o processo no qual eles são concentrados em um feixe estreito e pode avançar por distâncias extremas, para muito além da área dominada pela gravidade do buraco negro e até mesmo escapando da galáxia hospedeira deste buraco negro. Os buracos negros supermassivos também têm influência na evolução galáctica.

O trabalho teve participação de pesquisadores do Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas (IAG) da Universidade de São Paulo (USP). O 3C 273 tem sido estudado há décadas como o laboratório ideal mais próximo para jatos de quasar. No entanto, mesmo sendo um vizinho próximo, até recentemente não havia uma visão nítida o suficiente para ver onde este poderoso jato estreito de plasma é moldado.

A imagem do jato do quasar 3C 273 fornece aos cientistas a primeira visão das porções mais internas do jato de um quasar, onde ocorre a colimação e o estreitamento do feixe. A equipe também determinou que o ângulo do plasma fluindo do buraco negro é comprimido ao longo de uma distância muito extensa. O trabalho foi possibilitado pelo uso coordenado de um conjunto de radioantenas ao redor da Terra, combinando os instrumentos Global Millimeter VLBI Array (GMVA) e Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), no Chile. O GMVA e o ALMA foram conectados ao redor de continentes utilizando uma técnica chamada interferometria de longa linha de base (VLBI) para obter informações altamente detalhadas de fontes astronômicas distantes.

O astrofísico Ciriaco Goddi, que atualmente é pesquisador visitante no IAG, participou da equipe deste trabalho como responsável por observar, calibrar e analisar os dados do ALMA. As novas imagens mostram o jato 3C 273 com um nível de detalhe nunca antes alcançado. Em particular, graças à combinação de GMVA e ALMA, foi possível finalmente ter acesso à base destes poderosos jatos e investigar seus mecanismos de aceleração e colimação.

Por meio do desenvolvimento de hardware e software para VLBI, os 66 radiotelescópios do ALMA foram transformados na estação de interferometria astronômica mais sensível do mundo. A obtenção de dados nestes comprimentos de onda aumenta significativamente a resolução e sensibilidade do conjunto. Também foram feitas observações utilizando o High Sensitivity Array, para estudar o quasar 3C 273 em diferentes escalas, com o objetivo de medir a forma global do jato. 

Os dados deste estudo foram coletados em 2017, na mesma época em que as observações do Event Horizon Telescope (EHT) revelaram a primeira imagem de um buraco negro. O novo estudo abre a possibilidade de novas explorações dos processos de colimação em outros tipos de buracos negros. Dados obtidos em frequências mais altas, como 230 e 345 GHz com o EHT, permitem que cientistas observem detalhes mais sutis em quasares e outros buracos negros. 

Um artigo foi publicado no periódico The Astrophysical Journal. 

Veja também sobre o assunto, no blog: Revelada estrutura desconhecida em galáxia.

Fonte: Universidade de São Paulo