Buracos negros massivos dominam pequenas galáxias no Universo distante

Os astrônomos descobriram que os buracos negros supermassivos nos centros das primeiras galáxias são muito mais massivos do que o esperado.

© CfA / M. Weiss (buraco negro no interior de uma galáxia)

Na ilustração, um buraco negro (centro) está contido numa pequena galáxia hospedeira no Universo distante (esquerda). No Universo próximo (à direita), o buraco negro do mesmo tamanho estaria hospedado numa galáxia muito maior.

Estes buracos negros surpreendentemente robustos oferecem novas informações sobre as origens de todos os buracos negros supermassivos, bem como sobre os estágios iniciais da vida da sua galáxia hospedeira. 

Em galáxias próximas e maduras como a Via Láctea, a massa total das estrelas supera largamente a massa do grande buraco negro encontrado no centro da galáxia em cerca de 1.000 para 1. Nas galáxias distantes recém-descobertas, no entanto, essa diferença de massa cai para 100 ou 10 para 1, e até 1 para 1, o que significa que o buraco negro pode igualar a massa combinada das estrelas de sua galáxia hospedeira. 

Esta imagem de buracos negros inesperadamente massivos em galáxias emergentes foi obtida pelo telescópio espacial James Webb (JWST), o mais recente observatório emblemático da NASA. Até o JWST, lançado no final de 2021, os astrônomos eram geralmente limitados nos seus estudos de buracos negros distantes a quasares estupendamente brilhantes, compostos por buracos negros monstruosos devoradores de matéria que ofuscavam completamente as estrelas nas suas galáxias hospedeiras. Com o JWST, podemos agora finalmente observar buracos negros de menor massa, mas ainda assim supermassivos, em galáxias pequenas e distantes, e também podemos ver as estrelas nestas galáxias hospedeiras.  

Aprendemos que galáxias jovens e distantes violam a relação entre a massa dos buracos negros e a massa estelar, que está muito bem estabelecida em galáxias próximas e maduras: estes buracos negros primitivos são, sem dúvida, demasiado massivos em relação à população estelar dos seus hospedeiros. Com o JWST, será possível identificar com precisão como se formaram os primeiros buracos negros supermassivos.

Para o estudo, foram realizadas uma análise estatística de um conjunto de 21 galáxias, variando entre 12 e 13 bilhões de anos-luz de distância, e observadas através de três pesquisas publicadas. Estas 21 galáxias abrigam buracos negros centrais com massas típicas estimadas em dezenas ou centenas de milhões de vezes a do nosso Sol, ainda supermassivas, mas comparativamente insignificantes perto dos buracos negros que alimentam a maioria dos quasares distantes observados até hoje, que possuem bilhões de vezes a massa do Sol.

Com a prospecção de novas informações poderemos responder tais perguntas: Os buracos negros cresceram principalmente através da atração de gás ou através de fusões com outros buracos negros? E a massa estelar cresceu principalmente dentro da galáxia ou foram necessárias fusões com outras galáxias maiores?

O novo estudo foi publicado no periódico The Astrophysical Journal Letters.

Fonte: Harvard–Smithsonian Center for Astrophysics

Encontrado elo perdido: Supernovas dão origem a buracos negros

Os astrônomos descobriram uma ligação direta entre as mortes explosivas de estrelas de grande massa e a formação dos objetos mais compactos e enigmáticos do Universo: buracos negros e estrelas de nêutrons.

© ESO / L. Calçada (ilustração de uma explosão de supernova)

Com o auxílio do Very Large Telescope (VLT) e do New Technology Telescope (NTT), ambos do Observatório Europeu do Sul (ESO), duas equipes de pesquisadores conseguiram observar o resultado de uma explosão de supernova numa galáxia próxima, encontrando assim evidências de um misterioso objeto compacto deixado para trás. 

Quando chegam ao final das suas vidas, as estrelas de grande massa colapsam sob a sua própria gravidade tão rapidamente que o resultado é uma violenta explosão conhecida por supernova. Acredita-se que, depois da toda a excitação da explosão, o que resta é um núcleo extremamente denso ou um resto compacto da estrela. Dependendo da massa da estrela que explode, o resto compacto tanto pode ser uma estrela de nêutrons, um objeto tão denso que uma colher de chá do seu material pesaria cerca de um trilhão de quilogramas na Terra; ou um buraco negro. 

Os astrônomos encontraram no passado muitos indícios que apontam para esta cadeia de eventos, tais como a descoberta de uma estrela de nêutrons no seio da Nebulosa do Caranguejo, a nuvem de gás que resultou da explosão de uma estrela que ocorreu há quase mil anos atrás. No entanto, nunca este processo foi observado em tempo real, o que significa que evidências diretas de uma supernova deixando para trás um resto compacto têm permanecido elusivas.

Em Maio de 2022, o astrônomo amador da África do Sul, Berto Monard, descobriu a supernova SN 2022jli no braço em espiral da galáxia próxima NGC 157, situada a cerca de 75 milhões de anos-luz de distância da Terra. Duas equipes separadas estudaram o resultado da explosão, descobrindo que esta apresentava um comportamento peculiar. Depois da explosão, o brilho da maioria das supernovas simplesmente desvanece com o tempo; foi observado um declínio suave e gradual na “curva de luz” da explosão. 

Contudo, o comportamento da SN 2022jli era deveras particular: apesar do brilho total se ir desvanecendo, isso não acontecia de forma suave, apresentando antes oscilações para cima e para baixo, mais ou menos a cada 12 dias.

Especula-se que a presença de mais de uma estrela no sistema SN 2022jli pode explicar este comportamento. Realmente, não é incomum que as estrelas de grande massa partilhem a sua órbita com uma estrela companheira, no que é chamado um sistema binário, e a estrela que deu origem à SN 2022jli não é exceção. No entanto, o que é notável neste sistema é que a estrela companheira parece ter sobrevivido à morte violenta da sua parceira e os dois objetos, o resto compacto e a estrela companheira, muito provavelmente continuaram em órbita um do outro. 

Foi descoberto também movimentos periódicos de hidrogênio gasoso e explosões de raios gama no sistema. As observações foram realizadas com um complemento de instrumentos no solo e no espaço, incluindo o instrumento X-shooter montado no VLT do ESO, no Chile. Juntando todas as informações, há concordância de que quando a estrela companheira interagiu com o material lançado durante a explosão de supernova, a sua atmosfera rica em hidrogênio tornou-se mais inchada do que o habitual. Depois, quando o objeto compacto deixado pela explosão passa, ao descrever a sua órbita, pela atmosfera da companheira, vai retirando hidrogênio gasoso e formando um disco quente de matéria ao seu redor. Esta subtração periódica de matéria, ou acreção, produz imensa energia que foi vista nas observações como variações regulares de brilho.

Apesar de não ter sido observada luz vinda do objeto compacto propriamente dito, foi concluído que este roubo energético só pode ser devido a uma estrela de nêutrons invisível, ou possivelmente a um buraco negro, que retira matéria à atmosfera acrescentada da estrela companheira. 

O estudo foi apresentado no 243º Encontro da Sociedade Astronômica Americana em New Orleans, EUA. Um artigo foi publicado no ano passado no periódico The Astrophysical Journal e outro ontem na revista Nature.

Fonte: ESO

UHZ1: galáxia distante e buraco negro

Dominado pela matéria escura, o enorme aglomerado de galáxias Abell 2744 é conhecido por alguns como Aglomerado de Pandora.

© Chandra / Webb (Abell 2744 e UHZ1)

O aglomerado está localizado a 3,5 bilhões de anos-luz de distância, em direção à constelação do Escultor. 

Usando a enorme massa do aglomerado de galáxias como lente gravitacional para distorcer o espaço-tempo e ampliar objetos ainda mais distantes diretamente atrás dele, os astrônomos encontraram uma galáxia de fundo, UHZ1, com um notável desvio para o vermelho de Z=10,1. Isto coloca o UHZ1 muito além de Abell 2744, a uma distância de 13,2 bilhões de anos-luz, visto quando o nosso Universo tinha cerca de 3% da sua idade atual. 

O UHZ1 é identificado nas inserções desta imagem composta combinando raios X (tons roxos) do Observatório de Raios X Chandra, baseado no espaço, e luz infravermelha do Telescópio Espacial James Webb. 

A emissão de raios X do UHZ1 detectada nos dados do Chandra é a assinatura reveladora de um buraco negro supermassivo em crescimento no centro da galáxia com redshift muito alto. Isto faz do buraco negro crescente de UHZ1 o mais distante alguma vez detectado em raios X, um resultado que agora sugere como e quando se formaram os primeiros buracos negros supermassivos do Universo.

Fonte: NASA

Novas evidências da rotação de um buraco negro

O buraco negro supermassivo no coração da galáxia M87, que se tornou famoso pela primeira imagem da sombra de um buraco negro, deu origem a outra novidade: confirmou-se agora que o seu jato oscila, fornecendo uma evidência direta de que o buraco negro está girando.

© Intouchable Lab (modelo do disco de acreção inclinado)

Os buracos negros supermassivos, monstros até bilhões de vezes mais pesados do que o Sol que devoram tudo à sua volta, também absorvendo a luz, são difíceis de estudar porque nenhuma informação pode escapar do seu interior. 

Teoricamente, há muitas poucas propriedades que são possíveis medir. Uma propriedade que poderia ser observada é a rotação, mas devido às dificuldades envolvidas, não têm havido observações diretas da rotação de buracos negros. À procura de evidências da rotação de buracos negros, uma equipe internacional analisou mais de duas décadas de dados observacionais da galáxia M87. 

Esta galáxia, localizada a 55 milhões de anos-luz de distância, na direção da constelação de Virgem, abriga um buraco negro 6,5 bilhões de vezes mais massivo do que o Sol, o mesmo buraco negro que produziu a primeira imagem da sombra de um buraco negro pelo EHT (Event Horizon Telescope) em 2019. 

Sabe-se que o buraco negro supermassivo na galáxia M87 tem um disco de acreção, que alimenta o buraco negro com matéria, e um jato, no qual a matéria é ejetada de perto do buraco negro a uma velocidade próxima da da luz. 

A equipe analisou dados relativos a 170 períodos de tempo recolhidos pela EAVN (East Asian VLBI Network), pelo VLBA (Very Long Baseline Array), pela rede conjunta KVN e VERA (KaVA) e pela rede VLBI EATING (East Asia to Italy Nearly Global). No total, mais de 20 radiotelescópios de todo o mundo contribuíram para este estudo. Os resultados mostram que as interações gravitacionais entre o disco de acreção e a rotação do buraco negro fazem com que a base do jato oscile, ou precesse, da mesma forma que as interações gravitacionais dentro do Sistema Solar fazem com que a Terra precesse. 

A equipe conseguiu ligar a dinâmica do jato ao buraco negro supermassivo central, fornecendo evidências diretas de que o buraco negro está girarando. A direção do jato muda cerca de 10 graus com um período de precessão de 11 anos, o que corresponde às simulações teóricas em supercomputador realizadas pelo ATERUI II no NAOJ (National Astronomical Observatory of Japan).

Uma vez que o desalinhamento entre o buraco negro e o disco é relativamente pequeno e o período de precessão é de cerca de 11 anos, a acumulação de dados de alta resolução que traçam a estrutura de M87 ao longo de duas décadas e uma análise minuciosa são essenciais para esta descoberta. Os dados observacionais, perfeitamente ajustados à curva sinusoidal simples, trazem novos avanços na compreensão do sistema de buraco negro e jato.

Um artigo foi publicado na revista Nature. 

Fonte: National Astronomical Observatory of Japan

Discos de acreção: quão grandes são, realmente?

Recorrendo ao telescópio Gemini North, os astrônomos detectaram pela primeira vez evidências da presença de um disco de acreção no núcleo galáctico ativo da galáxia III Zw 002.

© NOIRLab / P. Marenfeld (buraco negro e seu disco de acreção)

Utilizando duas linhas de emissão raras e peculiares no infravermelho próximo, estas observações colocam limites firmes na dimensão do disco de acreção da galáxia e evidencia sua geometria e comportamento. 

As linhas de emissão resultam quando um átomo num estado excitado cai para um nível de energia mais baixo, liberando luz no processo. Uma vez que cada átomo tem um conjunto único de níveis de energia, a luz emitida tem um comprimento de onda discreto que atua como uma impressão digital que identifica a sua origem. As linhas de emissão aparecem normalmente nos espetros como picos finos e nítidos. Mas no vórtice rodopiante de um disco de acreção, onde o gás excitado está sob a influência gravitacional do buraco negro supermassivo e se move a velocidades de milhares de quilômetros por segundo, as linhas de emissão alargam-se em picos mais rasos. A região do disco de acreção onde estas linhas têm origem é designada por região de linhas largas.

À primeira vista, estas estruturas sublimes podem parecer bastante serenas. Mas, na verdade, o centro de muitas galáxias é um ambiente turbulento que contém um buraco negro supermassivo que se alimenta ativamente. Orbitando estes objetos incompreensivelmente densos estão discos de acreção rodopiantes de gás e poeira, que alimentam o buraco negro e emitem quantidades imensas de energia ao longo de todo o espetro eletromagnético, desde raios gama e raios X altamente energéticos, passando pela luz visível, até às ondas infravermelhas e de rádio. 

O estudo dos discos de acreção pode melhorar a compreensão sobre os buracos negros e a evolução das galáxias que os hospedam. A maior parte dos discos de acreção, no entanto, são impossíveis de observar diretamente devido às suas distâncias extremas e tamanhos relativamente pequenos. É extremamente difícil obter imagens diretas dos discos de acreção, tendo apenas sido obtidas imagens de duas fontes graças à capacidade de alta resolução angular do EHT (Event Horizon Telescope). 

Assim, se não houver acesso a uma rede global de radiotelescópios, como é que os astrônomos sabem quando um buraco negro supermassivo tem um disco à sua volta? Acontece que a evidência de um disco de acreção pode ser encontrada num padrão específico de linhas de emissão largas chamado perfil de pico duplo. Dado que o disco está girando, o gás de um lado está se afastando do observador, enquanto o gás do outro lado está se movendo na direção do observador. Estes movimentos relativos esticam e comprimem as linhas de emissão para comprimentos de onda mais longos e mais curtos, respectivamente. O resultado é uma linha alargada com dois picos distintos, cada um originário de cada lado do disco em rápida rotação. Estes perfis de pico duplo são um fenômeno raro, uma vez que a sua ocorrência está limitada a fontes que podem ser observadas quase de face. Nas poucas fontes em que foi observado, o pico duplo foi encontrado nas linhas H-alfa e H-beta, duas linhas de emissão de átomos de hidrogênio que aparecem em comprimentos de onda do visível. Com origem na zona interior da região de linhas largas perto do buraco negro supermassivo, estas linhas não fornecem qualquer evidência sobre a dimensão do disco de acreção na sua totalidade. Mas observações recentes no infravermelho próximo revelaram uma zona da região exterior de linhas largas que nunca tinha sido vista antes. 

A linha Paschen-alfa (hidrogênio) tem origem na zona interior da região de linhas largas e a linha O I (oxigénio neutro) tem origem na periferia da região de linhas largas, uma região que nunca tinha sido observada antes. Estes são os primeiros perfis de duplo pico a serem encontrados no infravermelho próximo e surgiram inesperadamente durante as observações com o GNIRS (Gemini Near-Infrared Spectrograph), que é capaz de observar todo o espetro do infravermelho próximo (800-2500 nanómetros) de uma só vez.

Comparando estas observações com os modelos existentes de disco, a equipe conseguiu extrair parâmetros que fornecem uma imagem mais clara do buraco negro supermassivo de III Zw 002 e da região de linhas largas. O modelo indica que a linha Paschen-alfa tem origem num raio de 16,77 dias-luz, e a linha O I tem origem num raio de 18,86 dias-luz. Também prevê que o raio exterior da região de linhas largas é de 52,43 dias-luz. O modelo também indica que a região de linhas largas de III Zw 002 tem um ângulo de inclinação de 18 graus em relação aos observadores na Terra e que o buraco negro supermassivo no seu centro tem 400 a 900 milhões de vezes a massa do nosso Sol.

Um artigo foi publicado no periódico The Astrophysical Journal Letters. 

Fonte: National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory

Um buraco negro gigante destrói uma estrela massiva

Os astrônomos fizeram um estudo forense minucioso de uma estrela que foi dilacerada quando se aventurou demasiado perto de um buraco negro gigante e depois teve as suas entranhas atiradas para o espaço.

© NASA / M. Weiss (ilustração do rescaldo do evento de perturbação de marés)

O observatório de raios X Chandra da NASA e o XMM-Newton da ESA estudaram a quantidade de nitrogênio e de carbono perto de um buraco negro que se sabe ter despedaçado uma estrela. Os astrônomos pensam que estes elementos foram criados no interior da estrela antes desta se ter despedaçado ao aproximar-se do buraco negro.

Nos últimos anos, os astrônomos têm encontrado muitos exemplos de "eventos de perturbação de marés", em que as forças gravitacionais de um buraco negro massivo destroem uma estrela. Isto provoca uma erupção, frequentemente observada no visível, no ultravioleta e em raios X, à medida que os detritos da estrela são aquecidos. 

Este evento, denominado ASASSN-14li, destaca-se por várias razões. No momento da descoberta, em novembro de 2014, foi a perturbação de marés mais próxima da Terra (290 milhões de anos-luz) descoberta numa década. Devido a esta proximidade, ASASSN-14li forneceu um nível extraordinário de pormenores sobre a estrela destruída. 

Os astrônomos aplicaram novos modelos teóricos para fazer melhores estimativas, em comparação com trabalhos anteriores, da quantidade de nitrogênio e carbono em torno do buraco negro. A estrela do evento ASASSN-14li é uma das mais massivas, talvez a mais massiva, que foi vista ser destruída por um buraco negro até hoje. 

No início deste ano, outra equipe de astrônomos relatou o acontecimento "Barbie assustadora", em que estimaram que uma estrela com cerca de 14 vezes a massa do Sol foi destruída por um buraco negro. No entanto, este fenômeno ainda não foi confirmado como uma perturbação de marés, com a estimativa da massa da estrela se baseando principalmente no brilho da erupção e não numa análise detalhada do material em torno do buraco negro, como no caso de ASASSN-14li. 

Outro aspecto interessante do resultado de ASASSN-14li é o que significa para estudos futuros. Os astrônomos observaram estrelas moderadamente massivas como ASASSN-14li no aglomerado estelar que contém o buraco negro supermassivo no centro da nossa Galáxia. Por conseguinte, a capacidade de estimar as massas estelares de estrelas perturbadas pelas marés pode fornecer uma forma de identificar a presença de aglomerados estelares em torno de buracos negros supermassivos em galáxias mais distantes. 

Até este estudo, havia uma forte possibilidade de que os elementos observados em raios X pudessem ser provenientes de gás liberado em erupções anteriores do buraco negro supermassivo. O padrão de elementos aqui analisado, no entanto, parece ter vindo de uma única estrela. Um trabalho anterior, publicado em 2017 por Chenwie Yang, da Universidade de Ciência e Tecnologia de Hefei, na China, utilizou dados ultravioletas do telescópio espacial Hubble para mostrar que há mais nitrogênio do que carbono em ASASSN-14li, mas em menor quantidade do que a encontrada agora utilizando dados de raios X. Esses autores calcularam que a estrela tinha apenas uma massa equivalente a 0,6 sóis. 

Um artigo foi publicado no periódico The Astrophysical Journal Letters. 

Fonte: Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics

O buraco negro central da Via Láctea "acordou" há 200 anos

O buraco negro supermassivo Sagitário A* no centro da Via Láctea, é muito menos luminoso do que outros buracos negros nos centros de galáxias que podemos observar, o que significa que o buraco negro central da nossa Galáxia não tem devorado ativamente o material à sua volta.

© IXPE / Chandra (raios X da área ao redor de Sagitário A*)

O painel inferior combina dados do IXPE, em laranja, com dados do Chandra, em azul. O painel superior mostra um campo de visão muito mais alargado do centro da Via Láctea. As finas linhas brancas sobrepostas no painel superior enquadram a área realçada e indicam que a perspectiva no painel inferior foi rodada cerca de 45 graus para a direita.

Novas evidências do telescópio IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer) da NASA sugerem que o velho gigante adormecido acordou recentemente, há cerca de 200 anos, para absorver gás e outros detritos cósmicos ao seu alcance. 

Sagitário A* fica a mais de 25.000 anos-luz da Terra, o buraco negro supermassivo mais próximo, com uma massa estimada em milhões de vezes a do nosso Sol. Ele situa-se na direção da constelação de Sagitário, no coração da Via Láctea. 

Os cientistas recorreram ao IXPE para um olhar mais atento quando estudos anteriores de raios X detectaram emissões de raios X relativamente recentes provenientes de nuvens gigantes de gás na sua vizinhança. Dado que a maioria das nuvens cósmicas, chamadas "nuvens moleculares", são frias e escuras, as assinaturas de raios X destas nuvens deveriam ter sido tênues. Em vez disso, brilharam intensamente. 

Um dos cenários para explicar porque é que estas nuvens moleculares gigantes estão brilhando é que estão ecoando um flash de luz de raios X que já passou há muito tempo, indicando que o nosso buraco negro supermassivo não estava assim tão quiescente há alguns séculos atrás. 

O IXPE, que mede a polarização dos raios X, ou a direção e intensidade médias do campo elétrico das ondas de luz, foi apontado para estas nuvens moleculares durante dois períodos de estudo, em fevereiro e março de 2022. Quando os astrônomos combinaram os dados resultantes com imagens do observatório de raios X Chandra da NASA e os compararam com observações de arquivo da missão XMM-Newton da ESA, puderam isolar o sinal de raios X refletido e descobrir o seu ponto de origem.

O ângulo de polarização atua como uma bússola, apontando-nos para a misteriosa fonte de iluminação há muito desaparecida. E o que se encontra nessa direção? Nada mais nada menos do que Sgr A*. Analisando os dados, a equipe descobriu que os raios X das nuvens moleculares gigantes eram luz refletida de uma erupção intensa e de curta duração produzida por ou perto de Sgr A*, possivelmente causada pelo buraco negro que consumiu abruptamente material próximo. Os dados também ajudaram os pesquisadores a estimar a luminosidade e a duração do surto original, sugerindo que o evento ocorreu aproximadamente no início do século XIX.

O próximo objetivo da equipe é repetir a observação e reduzir as incertezas da medição. Os dados de acompanhamento poderão melhorar as estimativas de quando a erupção ocorreu e qual a sua intensidade no pico, e ajudarão a determinar a distribuição tridimensional das nuvens moleculares gigantes que rodeiam o buraco negro quiescente. Estes estudos ajudam a compreender melhor os processos físicos necessários para despertar Sgr A* novamente, mesmo que apenas temporariamente, do seu sono inquieto. Sabemos que as mudanças podem ocorrer, nas galáxias ativas e nos buracos negros supermassivos, ao longo de uma escala humana de tempo.

Um artigo foi publicado na revista Nature. 

Fonte: Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics

Observando o quasar mais luminoso dos últimos 9 bilhões de anos

Os pesquisadores observaram a emissão de raios X do quasar mais luminoso observado nos últimos 9 bilhões de anos de história cósmica, conhecido como SMSS J114447.77-430859.3, ou J1144 para abreviar.

© STScI (ilustração de um quasar)

A nova perspectiva fornece informações sobre o funcionamento interno dos quasares e sobre a forma como interagem com o seu ambiente.

Situado numa galáxia a 9,6 bilhões de anos-luz de distância da Terra, entre as constelações de Centauro e Hidra, J1144 é extremamente poderoso, brilhando 100 trilhões de vezes mais do que o Sol. O quasar J1144 está muito mais próximo da Terra do que outras fontes com a mesma luminosidade, o que permite aos astrônomos conhecer melhor o buraco negro que alimenta o quasar e o ambiente em seu redor. 

Os quasares estão entre os objetos mais brilhantes e distantes do Universo conhecido, alimentados por gás que cai num buraco negro supermassivo. Podem ser descritos como núcleos galácticos ativos (NGAs) de luminosidade muito elevada que emitem grandes quantidades de radiação eletromagnética observável nos comprimentos de onda do rádio, infravermelho, visível, ultravioleta e raios X. 

O quasar J1144 foi inicialmente observado no visível em 2022 pelo SMSS (SkyMapper Southern Survey). Para este estudo, os pesquisadores combinaram observações de vários observatórios espaciais: o instrumento eROSITA a bordo do observatório SRG (Spectrum-Roentgen-Gamma), o observatório XMM-Newton da ESA, o NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array) da NASA e o observatório Neil Gehrels Swift da NASA. 

A equipe utilizou os dados dos quatro observatórios para medir a temperatura dos raios X emitidos pelo quasar. Descobriram que esta temperatura era de cerca de 350 milhões K, mais de 60.000 vezes a temperatura à superfície do Sol. Notou-se também que a massa do buraco negro no centro do quasar é cerca de 10 bilhões de vezes superior à massa do Sol, e que o ritmo de crescimento é da ordem de 100 massas solares por ano. 

Os raios X desta fonte variaram numa escala de tempo de alguns dias, o que não é observado normalmente em quasares com buracos negros tão grandes como o que reside em J1144. A escala de tempo típica de variabilidade para um buraco negro desta dimensão seria da ordem de meses ou mesmo anos. As observações também mostraram que, enquanto uma parte do gás é engolida pelo buraco negro, algum gás é ejetado sob a forma de ventos extremamente poderosos, injetando grandes quantidades de energia na galáxia hospedeira.

O quasar J1144 é uma fonte muito rara por ser tão luminosa e por estar muito mais perto da Terra (embora ainda a uma distância enorme!), dando-nos um vislumbre único do aspecto de quasares tão poderosos. Uma nova campanha de monitoramento desta fonte terá início em junho deste ano, o que poderá revelar mais surpresas sobre esta fonte única.

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

Fonte: Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics

Hubble caça buracos negros de massa intermediária

Os astrônomos que utilizam o telescópio espacial Hubble descobriram o que dizem ser algumas das melhores evidências da presença de uma classe rara de buracos negros de massa intermediária que pode estar à espreita no núcleo do aglomerado globular mais próximo da Terra, localizado a 6.000 anos-luz de distância.

© Hubble (aglomerado globular M4)

Como intensos buracos gravitacionais no tecido do espaço, praticamente todos os buracos negros parecem existir em dois tamanhos: pequenos e enormes. Estima-se que a nossa Galáxia tenha 100 milhões de buracos negros pequenos (várias vezes a massa do nosso Sol) formados a partir da explosão de estrelas. 

O Universo em geral está inundado de buracos negros supermassivos, com uma massa milhões ou bilhões de vezes superior à do nosso Sol e que se encontram no centro das galáxias. Os buracos negros de massa intermediária são um elo perdido e há muito procurado, com uma massa entre 100 e 100.000 massas solares. 

Mas como é que se formam, onde se encontram e porque é que parecem ser tão raros? Os astrônomos identificaram outros possíveis buracos negros de massa intermediária através de uma variedade de técnicas de observação. Dois dos melhores candidatos - 3XMM J215022.4−055108, que o Hubble ajudou a descobrir em 2020, e HLX-1, identificado em 2009 - residem em densos aglomerados de estrelas na periferia de outras galáxias. Cada um destes possíveis buracos negros tem a massa de dezenas de milhares de sóis e pode ter estado, em tempos, no centro de galáxias anãs. 

O observatório de raios X Chandra da NASA também ajudou a fazer muitas descobertas de possíveis buracos negros de massa intermediária, incluindo uma grande amostra em 2018. Olhando mais perto daqui, foram detectados vários candidatos a buracos negros de massa intermediária em aglomerados globulares densos que orbitam a Via Láctea. Por exemplo, em 2008, foi anunciada a presença suspeita de um buraco negro de massa intermediária no aglomerado globular Omega Centauri. 

Por uma série de razões, incluindo a necessidade de mais dados, estes e outros achados de buracos negros de massa intermediária continuam a ser inconclusivos e não excluem teorias alternativas. As capacidades únicas do Hubble foram agora utilizadas no núcleo do aglomerado globular Messier 4 (M4), para caçar buracos negros com maior precisão do que em levantamentos anteriores.

Foi detectado em M4 um possível buraco negro de massa intermediária com cerca de 800 massas solares. O objeto suspeito não pode ser observado, mas a sua massa é calculada através do estudo do movimento das estrelas apanhadas no seu campo gravitacional. A medição do seu movimento requer tempo e muita precisão. É aqui que o Hubble consegue fazer o que nenhum outro telescópio atual consegue. 

Os astrônomos analisaram 12 anos de observações de M4 pelo Hubble e resolveram estrelas individuais. Os dados do Hubble tendem a excluir teorias alternativas para este objeto, tais como um aglomerado central compacto de remanescentes estelares não observados, como estrelas de nêutrons, ou buracos negros menores girando em volta uns dos outros.

A região é muito pequena com muita massa concentrada. É cerca de três vezes menor do que a massa escura mais densa que já foi encontrada em outros aglomerados globulares. A região é mais compacta do que pode ser reproduzido com simulações numéricas quando é considerado um conjunto de buracos negros, estrelas de nêutrons e anãs brancas segregadas no centro do aglomerado. 

Um grupo de objetos tão unidos seria dinamicamente instável. Se o objeto não for um único buraco negro de massa intermediária, seriam necessários cerca de 40 buracos negros menores, amontoados num espaço com apenas um-décimo de um ano-luz de diâmetro, para produzir os movimentos estelares observados. As consequências seriam a sua fusão e/ou ejeção, num jogo de pinball interestelar.

Foram medidos os movimentos das estrelas e as suas posições, e aplicados modelos físicos que tentam reproduzir estes movimentos. O resultado é a medição de uma extensão de massa escura no centro do aglomerado. Quanto mais perto da massa central, mais aleatoriamente as estrelas se movem. E quanto maior a massa central, mais rápidas são estas velocidades estelares. Dado que os buracos negros de massa intermediária nos aglomerados globulares têm sido tão esquivos, em alternativa, pode haver um mecanismo estelar que simplesmente não conhecemos, pelo menos no âmbito da física atual.

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

Fonte: Space Telescope Science Institute

Revelada a maior explosão cósmica jamais vista

Uma equipe de astrônomos liderada por pesquisadores da Universidade de Southampton descobriu a maior explosão cósmica jamais testemunhada.

© John Paice (ilustração da acreção de um buraco negro)

A explosão é mais de 10 vezes mais brilhante do que qualquer supernova conhecida. A explosão, conhecida como AT2021lwx, durou até agora mais de três anos, em comparação com a maioria das supernovas que só permanecem visivelmente brilhantes durante alguns meses. Ocorreu há quase 8 bilhões de anos, quando o Universo tinha cerca de 6 bilhões de anos, e está localizada na direção da constelação de Raposa. 

A AT2021lwx foi detectada pela primeira vez em 2020 pelo ZTF (Zwicky Transient Facility) na Califórnia e foi subsequentemente detectado pelo ATLAS (Asteroid Terrestrial-impact Last Alert System), sediado no Havaí. Estas instalações observam o céu noturno para detectar objetos transientes que mudam rapidamente de brilho, indicando eventos cósmicos como supernovas, bem como encontrando asteroides e cometas. 

Até agora, a escala da explosão era desconhecida. A equipe investigou o objeto com vários telescópios diferentes: o Observatório Neil Gehrels Swift, o NTT (New Technology Telescope) no Chile e o GTC (Gran Telescopio Canarias) em La Palma, Espanha. Os pesquisadores pensam que a explosão é o resultado de uma vasta nuvem de gás, possivelmente milhares de vezes maior do que o nosso Sol, que foi violentamente perturbada por um buraco negro supermassivo. Fragmentos da nuvem teriam sido engolidos, enviando ondas de choque através dos seus remanescentes, bem como para uma grande fração poeirenta em forma de rosquinha que rodeia o buraco negro. 

Estes eventos são muito raros e nunca antes se tinha visto nada a esta escala. No ano passado, os astrônomos testemunharam a explosão mais brilhante de que há registo, uma explosão de raios gama denominada GRB 221009A. Embora esta tenha sido mais brilhante do que AT2021lwx, durou apenas uma fração do tempo, o que significa que a energia total liberada pela explosão de AT2021lwx é muito maior. A dimensão física da explosão é cerca de 100 vezes maior do que todo o Sistema Solar e, no seu máximo brilho, foi cerca de 2 trilhões de vezes mais brilhante do que o Sol. 

As únicas coisas no Universo que são tão brilhantes como AT2021lwx são os quasares, ou seja, buracos negros supermassivos com um fluxo constante de gás caindo sobre eles a alta velocidade. Existem diferentes teorias sobre o que poderia ter causado tal explosão, mas considera-se que a explicação mais viável é uma nuvem extremamente grande de hidrogênio gasoso ou poeira que se desviou da sua órbita em torno do buraco negro supermassivo e que foi puxada para o centro do sistema.

A equipe está agora tentando recolher mais dados sobre a explosão, observando o objeto em diferentes comprimentos de onda, incluindo raios X, que poderão revelar a temperatura do objeto e os processos que poderão estar ocorrendo à superfície. Também vão efetuar simulações computacionais atualizadas para testar se estas correspondem à sua teoria sobre o que provocou a explosão.

Com novas instalações, como o LSST (Legacy Survey of Space and Time) do Observatório Vera Rubin entrando em funcionamento nos próximos anos, espera-se descobrir mais eventos como este e aprender mais sobre eles. É possível que estes acontecimentos, embora extremamente raros, sejam tão energéticos que são fundamentais da forma como os centros galácticos mudam ao longo do tempo. Uma vez conhecida a distância ao objeto e quão brilhante parece ser, é possível calcular o brilho do objeto na sua origem. Depois de efetuar estes cálculos, percebeu-se que este objeto é extremamente brilhante. 

Com um quasar, nota-se o brilho oscilando para cima e para baixo ao longo do tempo. Mas olhando para trás, ao longo de uma década, não foi detectado AT2021lwx e, de repente, apareceu como uma das coisas mais luminosas do Universo!

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

Fonte: Institute of Space Sciences

Uma vida solitária para as jovens estrelas no centro da Via Láctea

Segundo um novo estudo, as estrelas que vivem o mais perto do buraco negro no centro da Via Láctea não têm companheiras.

© GCOI (órbitas de estrelas S em torno do buraco negro supermassivo da Via Láctea)

Usando o Observatório W. M. Keck em Maunakea, Havaí, Devin Chu, astrônomo da GCOI (Galactic Center Orbits Initiative) da UCLA (Universidade da Califórnia em Los Angeles), liderou um levantamento de 10 anos que descobriu que estas "estrelas S", onde "S" significa Sagitário A*, o nome do buraco negro supermassivo no centro da nossa Galáxia, são todas individuais.

O resultado é surpreendente, uma vez que as estrelas S que a equipe observou incluem estrelas jovens e massivas de sequência principal, com apenas cerca de seis milhões de anos. Normalmente, as estrelas desta idade, que são 10 vezes mais massivas do que o nosso Sol, passam a sua infância emparelhadas com uma gêmea num sistema binário ou, por vezes, mesmo como trigêmeas. 

É provável que a poderosa influência do buraco negro supermassivo faça com que os sistemas estelares binários se fundam ou se tornem perturbados, onde uma estrela companheira é expulsa da região. Isto pode explicar porque é que não vemos nenhuma estrela com parceiras tão perto de Sagitário A*. 

Este estudo de uma década marca a primeira pesquisa sistemática de sistemas binários no aglomerado de estrelas S. Utilizando o sistema de ópticas adaptativas do observatório Keck, emparelhado com o seu instrumento OSIRIS (OH-Suppressing Infrared Imaging Spectrograph), os astrônomos seguiram os movimentos de 28 estrelas S; 16 das quais são estrelas jovens do tipo B da sequência principal e as restantes são estrelas velhas e de baixa massa do tipo M ou gigantes do tipo K. As ópticas adaptativas do Keck e o OSIRIS foram cruciais para nos darem a visão infravermelha de que precisávamos para espreitar através da poeira do Centro Galáctico e para distinguir as estrelas S individuais nesta região tão povoada. 

Os pesquisadores não só encontraram as estrelas S viajando sozinhas, como também conseguiram calcular o limite de quantas destas estrelas S poderiam existir como binários, uma métrica conhecida como fração binária. Descobriram que o limite da fração binária das estrelas S jovens é de 47%, o que significa que por cada 100 estrelas S, um máximo de 47 podem estar em sistemas binários. Este limite é dramaticamente mais baixo do que o esperado para tipos semelhantes de estrelas jovens na vizinhança solar, que têm uma fração binária de 70%. 

Esta descoberta sugere que as estrelas com companheiras têm dificuldade em manter-se juntas no ambiente extremo do buraco negro supermassivo da Via Láctea. A descoberta acrescenta ao caráter já exótico das estrelas S, cujo nascimento permanece um mistério. As forças de maré de um buraco negro perturbam normalmente a formação estelar tradicional, o que levanta questões sobre a forma como as estrelas S se conseguiram desenvolver no perigoso turbilhão cósmico que Sagitário A* cria. 

Um artigo foi publicado no periódico The Astrophysical Journal. 

Fonte: W. M. Keck Observatory

Um binário de contato irá resultar na colisão de dois buracos negros

De acordo com um novo estudo efetuado por pesquisadores da UCL (University College London) e da Universidade de Potsdam, duas estrelas massivas que se tocam vão eventualmente acabar por chocar, gerando ondas no tecido do espaço-tempo.

© UCL (ilustração da estrela binária)

A estrela menor, mais brilhante e mais quente (esquerda), que tem 32 vezes a massa do nosso Sol, está atualmente perdendo massa para a companheira maior (direita), que tem 55 vezes a massa do nosso Sol. Uma é branca e a outra azul porque são muito quentes, cujas temperaturas são: 43.000 K e 38.000 K, respetivamente.

O estudo analisou um sistema binário (duas estrelas que se orbitam uma à outra em torno de um centro de gravidade mútuo), analisando a luz das estrelas obtida a partir de uma série de telescópios terrestres e espaciais. Os pesquisadores descobriram que as estrelas, localizadas na Pequena Nuvem de Magalhães, estão em contato parcial e trocam material entre si, com uma estrela atualmente se "alimentando" da outra. Completam uma órbita uma em torno da outra a cada três dias e são as estrelas mais massivas que se tocam (conhecidas como binários de contato) até agora observadas. 

Comparando os resultados das suas observações com modelos teóricos da evolução de estrelas binárias, descobriram que, no modelo mais adequado, a estrela que está sendo devorada se transformará num buraco negro e este se alimentará da estrela companheira. A estrela sobrevivente irá tornar-se um buraco negro pouco tempo depois. O primeiro buraco negro se formará daqui a menos de um milhão de anos e o segundo daqui a menos de 4 milhões de anos, mas se orbitarão um ao outro durante bilhões de anos antes de colidirem com uma força tal que será capaz de gerar ondas gravitacionais, ondulações no tecido do espaço-tempo, que poderiam, teoricamente, ser detectadas com instrumentos na Terra. 

Através aos detectores de ondas gravitacionais Virgo e LIGO, foram detectadas dúzias de fusões de buracos negros nos últimos anos. Mas até agora ainda não foi observado estrelas que, segundo as previsões, colapsariam para buracos negros desta dimensão e se fundiriam numa escala de tempo inferior ou mesmo comparável à idade do Universo. O modelo mais adequado sugere que estas estrelas se fundirão, já como buracos negros, dentro de 18 bilhões de anos. Encontrar estrelas nesta trajetória evolutiva, tão perto da nossa Via Láctea, é uma excelente oportunidade para aprender ainda mais sobre a formação destes buracos negros binários. 

Os buracos negros que os astrónomos veem fundir-se hoje formaram-se há bilhões de anos, quando o Universo tinha níveis mais baixos de ferro e de outros elementos mais pesados. A proporção destes elementos pesados aumentou com a idade do Universo, o que torna menos provável a fusão entre buracos negros. Isto porque as estrelas com uma maior proporção de elementos mais pesados têm ventos mais fortes e desintegram-se mais cedo. 

A bem estudada Pequena Nuvem de Magalhães, a cerca de 210.000 anos-luz da Terra, tem, por uma peculiaridade da natureza, cerca de um-sétimo das abundâncias de ferro e outros metais pesados da nossa Galáxia. Neste aspecto, imita as condições do passado longínquo do Universo. Mas, ao contrário das galáxias mais antigas e distantes, está suficientemente perto para que os astrônomos possam medir as propriedades de estrelas individuais e binárias. 

© James Webb (aglomerado estelar NGC 346)

A imagem mostra o aglomerado estelar NGC 346, onde a estrela binária está localizada (quadrado vermelho). 

Neste estudo foram medidas diferentes bandas de luz provenientes da estrela binária (análise espectroscópica), utilizando dados obtidos ao longo de vários períodos de tempo por instrumentos do telescópio espacial Hubble e pelo instrumento MUSE (Multi Unit Spectroscopic Explorer) no VLT (Very Large Telescope) do ESO no Chile, entre outros telescópios, em comprimentos de onda que vão do ultravioleta ao óptico e ao infravermelho próximo. 

Com estes dados, a equipe conseguiu calcular a velocidade radial das estrelas, ou seja, o movimento que fazem em direção a nós ou para longe de nós, bem como as suas massas, brilho, temperatura e órbitas. Em seguida, combinaram estes parâmetros com o modelo evolutivo que melhor se ajustava. A sua análise espectroscópica indicou que grande parte do invólucro exterior da estrela menor tinha sido arrancado pela sua companheira maior. Observaram também que o raio de ambas as estrelas excedia o seu lóbulo de Roche, isto é, a região em volta de uma estrela onde o material está gravitacionalmente ligado a esta estrela, confirmando que algum do material da estrela menor está transbordando e sendo transferido para a estrela companheira. 

Um artigo foi aceito para publicação no periódico Astronomy & Astrophysics. 

Fonte: University College London