Verificando o teorema da área do buraco negro de Stephen Hawking

Em 14 de setembro de 2015, um sinal chegou à Terra, trazendo informações sobre um par de buracos negros remotos que haviam espiralado juntos e se fundido.

© LVK (ondas gravitacionais geradas pela colisão de dois buracos negros)

O sinal havia viajado cerca de 1,3 bilhão de anos para chegar até nós à velocidade da luz, mas não era feito de luz. Era um tipo diferente de sinal: uma vibração do espaço-tempo chamada ondas gravitacionais, prevista pela primeira vez por Albert Einstein 100 anos antes.

Naquele dia, 10 anos atrás, os detectores gêmeos do Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro a Laser (LIGO) fizeram a primeira detecção direta de ondas gravitacionais, sussurros no cosmos que haviam passado despercebidos até aquele momento. A descoberta histórica significava que os pesquisadores agora podiam sentir o Universo por três meios diferentes. Ondas de luz, como raios X, ondas ópticas, ondas de rádio e outros comprimentos de onda da luz, bem como partículas de alta energia chamadas raios cósmicos e neutrinos, já haviam sido captadas antes, mas esta foi a primeira vez que alguém testemunhou um evento cósmico através da deformação gravitacional do espaço-tempo.

Por esta conquista, idealizada pela primeira vez há mais de 40 anos, três dos fundadores da equipe ganharam o Prêmio Nobel de Física de 2017: Rainer Weiss, do MIT, professor emérito de Física (que faleceu recentemente aos 92 anos); Barry Barish, do Caltech, Professor Emérito de Física Ronald e Maxine Linde; e Kip Thorne, do Caltech, Professor Emérito de Física Teórica Richard P. Feynman.

Atualmente, o LIGO, que consiste em detectores em Hanford, Washington, e Livingston, Louisiana, observa rotineiramente aproximadamente uma fusão de buracos negros a cada três dias. O LIGO agora opera em coordenação com dois parceiros internacionais: o detector de ondas gravitacionais Virgo, na Itália, e o KAGRA, no Japão. Juntos, a rede de busca por ondas gravitacionais, conhecida como LVK (LIGO, Virgo, KAGRA), captou um total de cerca de 300 fusões de buracos negros, algumas das quais já confirmadas, enquanto outras aguardam análises mais aprofundadas.

Durante a atual rodada científica da rede, a quarta desde a primeira rodada em 2015, o LVK descobriu mais de 200 possíveis fusões de buracos negros, mais que o dobro do número captado nas três primeiras rodadas. O aumento drástico no número de descobertas do LVK na última década se deve a diversas melhorias em seus detectores, algumas das quais envolvem engenharia de precisão quântica de ponta. Os detectores LVK continuam sendo, de longe, as réguas mais precisas para fazer medições já criadas por humanos. As distorções do espaço-tempo induzidas por ondas gravitacionais são incrivelmente minúsculas. Por exemplo, o LIGO detecta mudanças no espaço-tempo menores que 1/10.000 da largura de um próton. Isso é 700 trilhões de vezes menor que a largura de um fio de cabelo humano.

A sensibilidade aprimorada do LIGO é exemplificada na descoberta recente de uma fusão de buracos negros, denominada GW250114 (os números indicam a data em que o sinal da onda gravitacional chegou à Terra: 14 de janeiro de 2025). O evento não foi muito diferente da primeira detecção do LIGO (chamada GW150914), ambas envolvem a colisão de buracos negros a cerca de 1,3 bilhão de anos-luz de distância, com massas entre 30 e 40 vezes a do nosso Sol. Mas, graças a 10 anos de avanços tecnológicos que reduziram o ruído instrumental, o sinal do GW250114 está dramaticamente mais claro.

Ao analisar as frequências das ondas gravitacionais emitidas pela fusão, a equipe do LVK forneceu a melhor evidência observacional captada até o momento para o que é conhecido como teorema da área do buraco negro, uma ideia proposta por Stephen Hawking em 1971 que afirma que as áreas superficiais totais dos buracos negros não podem diminuir. Quando os buracos negros se fundem, suas massas se combinam, aumentando a área superficial. Mas eles também perdem energia na forma de ondas gravitacionais. Além disso, a fusão pode fazer com que o buraco negro combinado aumente seu spin, o que o leva a ter uma área menor.

O teorema da área do buraco negro afirma que, apesar desses fatores concorrentes, a área superficial total deve aumentar de tamanho. Mais tarde, Hawking e o físico Jacob Bekenstein concluíram que a área de um buraco negro é proporcional à sua entropia, ou grau de desordem. As descobertas abriram caminho para trabalhos inovadores posteriores no campo da gravidade quântica, que busca unir dois pilares da física moderna: a relatividade geral e a física quântica. Os buracos negros iniciais tinham uma área de superfície total de 240.000 quilômetros quadrados, enquanto a área final era de cerca de 400.000 quilômetros quadrados.

Outras descobertas científicas do LVK incluem a primeira detecção de colisões entre uma estrela de nêutrons e um buraco negro; fusões assimétricas, nas quais um buraco negro é significativamente mais massivo que seu parceiro; a descoberta dos buracos negros mais leves conhecidos, desafiando a ideia de que existe uma "lacuna de massa" entre estrelas de nêutrons e buracos negros; e a fusão de buracos negros mais massiva já vista, com uma massa combinada de 225 massas solares.

Olhando para um futuro mais distante, a equipe está trabalhando em um conceito para um detector ainda maior, chamado Cosmic Explorer, que teria braços de 40 quilômetros de comprimento (os observatórios gêmeos LIGO têm braços de 4 quilômetros). Um projeto europeu, chamado Telescópio Einstein, também planeja construir um ou dois enormes interferômetros subterrâneos com braços de mais de 10 quilômetros de comprimento. Observatórios nessa escala permitiriam aos cientistas ouvir as primeiras fusões de buracos negros no Universo.

Fonte: California Institute of Technology

Anã branca devorando um objeto semelhante a Plutão

Na nossa vizinhança estelar próxima, uma estrela "queimada" está petiscando um fragmento de um objeto semelhante a Plutão.

© Caltech (anã branca rodeada por um grande disco de detritos)

Com a sua capacidade única no ultravioleta, o telescópio espacial Hubble conseguiu identificar esta refeição.

O remanescente estelar é uma anã branca com cerca de metade da massa do nosso Sol, mas que está densamente comprimida num corpo com o tamanho da Terra. Os cientistas pensam que a imensa gravidade da anã puxou e rasgou um gelado análogo de Plutão do equivalente ao Cinturão de Kuiper do sistema, um anel gelado de detritos que rodeia o nosso Sistema Solar.

Uma equipe internacional de astrônomos analisou a composição química do objeto condenado à medida que os seus pedaços caíam sobre a anã branca. Em particular, detectaram substâncias com baixo ponto de ebulição, incluindo carbono, enxofre, nitrogênio e um elevado teor de oxigênio que sugere a forte presença de água.

Utilizando o COS (Cosmic Origins Spectrograph) do Hubble, a equipe descobriu que os fragmentos eram compostos por quase dois-terços de gelo de água. O fato de terem detectado tanto gelo significava que os pedaços faziam parte de um objeto muito massivo que se formou muito longe, no gelado análogo ao Cinturão de Kuiper desse sistema estelar.

Utilizando dados do Hubble, os cientistas calcularam que o objeto era maior do que os cometas típicos e que pode ser um fragmento de um exo-Plutão. Detectaram também uma grande proporção de nitrogênio, a mais elevada alguma vez detectada em sistemas de detritos de anãs brancas.

A acreção destes objetos ricos em elementos voláteis, por anãs brancas, é muito difícil de detectar no visível. Estes elementos voláteis só podem ser detectados com a sensibilidade única do Hubble à luz ultravioleta. Na luz óptica, a anã branca pareceria comum. A cerca de 260 anos-luz de distância, a anã branca é uma vizinha cósmica relativamente próxima. No passado, quando era uma estrela semelhante ao Sol, seria de esperar que abrigasse planetas. Daqui a bilhões de anos, quando o nosso Sol chegar ao fim da sua vida e colapsar numa anã branca, os objetos do Cinturão de Kuiper serão atraídos pela imensa gravidade do remanescente estelar. 

A equipe espera usar o telescópio espacial James Webb para detectar características moleculares de voláteis, como vapor de água e carbonatos, observando esta anã branca no infravermelho. Ao estudar mais profundamente as anãs brancas, os cientistas podem compreender melhor a frequência e a composição destes eventos de acreção ricos em voláteis.

Os pesquisadores também estão acompanhando a recente descoberta do cometa interestelar 3I/ATLAS. Eles estão ansiosos para conhecer a sua composição química, especialmente a sua fração de água. 

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

Fonte: Space Telescope Science Institute

Esta galáxia é espiral, elíptica ou nenhuma das duas?

A imagem do telescópio espacial Hubble apresenta uma galáxia difícil de categorizar.

© Hubble (NGC 2775)

A galáxia em questão é a NGC 2775, que fica a 67 milhões de anos-luz de distância, na constelação de Câncer (O Caranguejo).

A NGC 2775 possui um centro liso e sem características, desprovido de gás, assemelhando-se a uma galáxia elíptica. Ela também possui um anel empoeirado com aglomerados estelares irregulares, como uma galáxia espiral. Qual é, então: espiral ou elíptica, ou nenhuma das duas?

Como só podemos observar a NGC 2775 de um ângulo, é difícil afirmar com certeza. Alguns pesquisadores classificaram a NGC 2775 como uma galáxia espiral devido ao seu anel de estrelas e poeira, enquanto outros a classificaram como uma galáxia lenticular.

Galáxias lenticulares têm características comuns tanto às galáxias espirais quanto às elípticas. Ainda não se sabe exatamente como as galáxias lenticulares se formam, e elas podem se formar de diversas maneiras. Galáxias lenticulares podem ser galáxias espirais que se fundiram com outras galáxias ou que praticamente esgotaram o gás formador de estrelas e perderam seus proeminentes braços espirais. Elas também podem ter começado mais parecidas com galáxias elípticas e, em seguida, acumulado gás em um disco ao seu redor.

Algumas evidências sugerem que a NGC 2775 se fundiu com outras galáxias no passado. Invisível nesta imagem do Hubble, a NGC 2775 possui uma cauda de gás hidrogênio que se estende por quase 100.000 anos-luz ao redor da galáxia. Essa cauda tênue pode ser o remanescente de uma ou mais galáxias que vagaram muito perto da NGC 2775 antes de serem esticadas e absorvidas. 

Se a NGC 2775 se fundiu com outras galáxias no passado, isso poderia explicar a estranha aparência da galáxia hoje. Uma imagem do Hubble de NGC 2775 foi divulgada anteriormente em 2020, veja em Galáxia espiral "floculenta". A nova versão adiciona observações de um comprimento de onda específico de luz vermelha emitida por nuvens de gás hidrogênio ao redor de estrelas jovens e massivas.

Fonte: ESA

Imenso jato estelar na periferia da nossa Via Láctea

Bem longe, no limite da nossa Galáxia, a Via Láctea, uma jovem estrela ainda em formação está enviando um comunicado de nascimento ao Universo sob a forma de um fogo de artifício.

© NASA (Sharpless 2-284)

Os gases sobreaquecidos que caem sobre a estrela massiva são lançados para o espaço ao longo do eixo de rotação da estrela e poderosos campos magnéticos confinam os jatos em feixes estreitos. O telescópio espacial James Webb testemunhou o espetáculo em luz infravermelha. Os jatos estão penetrando na poeira e no gás interestelares, criando detalhes fascinantes captados apenas pelo Webb. 

Estendendo-se por 8 anos-luz, o comprimento da erupção estelar é aproximadamente o dobro da distância entre o nosso Sol e o vizinho sistema Alpha Centauri. Os pesquisadores dizem que o tamanho e a força deste jato estelar em particular, conhecido como Sharpless 2-284 (Sh2-284), qualifica-o como raro. O jato atravessa o espaço a centenas de milhares de quilômetros por hora. A protoestrela central, com uma massa equivalente a dez vezes a massa solar, está localizada a 15.000 anos-luz de distância, nos confins da Via Láctea. 

Esta classe única de fogos de artifício estelares, designada por objetos de Herbig-Haro (HH), são jatos de plasma altamente colimados expelidos por estrelas em formação. Parte do gás em queda, que se acumula em torno da estrela central, é projetado ao longo do eixo de rotação da estrela, provavelmente sob a influência de campos magnéticos. Atualmente, já foram observados mais de 300 objetos de HH, mas principalmente em estrelas de baixa massa. Estes jatos em forma de fuso oferecem pistas sobre a natureza das estrelas em formação. A energia, a pequena espessura e as escalas temporais evolutivas dos objetos de HH servem para restringir os modelos do ambiente e das propriedades físicas do jovem objeto estelar que alimenta o fluxo.

A detecção fornece evidências de que os jatos de HH devem aumentar com a massa da estrela que os alimenta. Quanto mais massivo for o motor estelar que impulsiona o plasma, maior será o tamanho do jato. A detalhada estrutura filamentar do jato, captada pela nítida resolução infravermelha do Webb, é evidência de que o jato está atravessando poeira e gás interestelares. Isto cria nós separados, choques em arco e cadeias lineares. As pontas do jato, situadas em direções opostas, encapsulam a história da formação da estrela.

Originalmente, o material estava perto da estrela, mas ao longo de 100.000 anos as pontas foram-se propagando para fora, e o material por trás é um fluxo mais jovem. A uma distância do Centro Galáctico quase duas vezes superior à do nosso Sol, o protoaglomerado hospedeiro do voraz jato encontra-se na periferia da Via Láctea. No interior do aglomerado ainda estão se formando algumas centenas de estrelas. Estar perto da periferia galáctica significa que as estrelas são deficientes em elementos mais pesados do que o hidrogênio e o hélio. Isto é medido como metalicidade, que aumenta gradualmente ao longo do tempo cósmico, à medida que cada geração estelar expulsa os produtos finais da fusão nuclear através de ventos e supernovas. A baixa metalicidade de Sh2-284 é um reflexo da sua natureza relativamente pristina, tornando-o um análogo local para os ambientes do Universo primitivo que também eram deficientes em elementos mais pesados.

Os jatos estelares, que são alimentados pela energia gravitacional liberada à medida que uma estrela cresce em massa, codificam a história da formação da protoestrela. As novas imagens do Webb dizem-nos que a formação de estrelas massivas nestes ambientes pode ocorrer através de um disco relativamente estável ao redor da estrela, o que é esperado nos modelos teóricos de formação estelar conhecidos como acreção do núcleo.

Há mais de 30 anos que os astrônomos discordam sobre a forma como as estrelas massivas se formam. Alguns pensam que uma estrela massiva requer um processo muito caótico, chamado acreção competitiva. No modelo de acreção competitiva, o material cai de muitas direções diferentes, de modo que a orientação do disco muda ao longo do tempo. O fluxo é lançado perpendicularmente, acima e abaixo do disco, e por isso também parece torcer e girar em direções diferentes. 

Onde há uma estrela massiva, pode haver outras nesta fronteira exterior da Via Láctea. Outras estrelas massivas podem ainda não ter atingido o ponto de disparar fluxos energéticos. Dados do ALMA (Atacama Large Millimeter Array), no Chile, também apresentados neste estudo, encontraram outro núcleo estelar denso que poderá estar numa fase anterior de construção.

Um artigo foi aceito para publicação no periódico The Astrophysical Journal.

Fonte: ESA

Gás metano descoberto em Makemake

Uma equipe liderada pelo SwRI (Southwest Research Institute) anunciou a primeira deteção de gás no distante planeta anão Makemake, utilizando o telescópio espacial James Webb.

© NASA (Makemake)

Esta descoberta faz de Makemake apenas o segundo objeto trans-Netuniano, depois de Plutão, onde foi confirmada a presença de gás. O gás foi identificado como metano.

Makemake é um dos maiores e mais brilhantes mundos gelados para lá de Netuno, e a sua superfície é dominada por metano congelado. O telescópio Webb revelou agora que o metano também está presente na sua fase gasosa acima da superfície, uma descoberta que torna Makemake ainda mais fascinante. Isto mostra que Makemake não é um remanescente inativo do Sistema Solar exterior, mas um corpo dinâmico onde o gelo de metano ainda está evoluindo.

A emissão espectral observada do metano é interpretada como fluorescência excitada pelo Sol, que é a re-emissão da luz solar absorvida pelas moléculas de metano. Isto pode indicar uma atmosfera tênue em equilíbrio com os gelos à superfície. semelhante a Plutão, ou uma atividade mais transiente, como uma sublimação tipo cometa ou plumas criovulcânicas. Ambos os cenários são fisicamente plausíveis e consistentes com os dados atuais, dado o nível de ruído e a limitada resolução espectral das medições.

Com cerca de 1.430 km de diâmetro e dois-terços do tamanho de Plutão, Makemake tem sido uma fonte de interesse científico. As ocultações estelares sugeriam que não tinha uma atmosfera global substancial, embora não se pudesse excluir a existência de uma atmosfera fina. Entretanto, os dados infravermelhos de Makemake sugeriam anomalias térmicas intrigantes e características incomuns do seu gelo de metano, o que levantava a possibilidade de pontos quentes localizados na sua superfície e de potencial desgaseificação.

Embora a tentação de ligar as várias anomalias espectrais e térmicas de Makemake seja forte, estabelecer o mecanismo que conduz à atividade volátil continua sendo um passo necessário para interpretar estas observações num quadro unificado. As futuras observações do Webb, com maior resolução espectral, ajudarão a determinar se o metano provém de uma fina atmosfera vinculada ou de uma emissão semelhante à das plumas. 

Os melhores modelos apontam para uma temperatura do gás de cerca de 40 K (-233º C) e uma pressão à superfície de apenas cerca de 10 picobars, ou seja, 100 bilhões de vezes inferior à pressão atmosférica da Terra e um milhão de vezes mais tênue do que a de Plutão.

Se este cenário se confirmar, Makemake juntar-se-á ao pequeno punhado de corpos do Sistema Solar exterior onde as trocas superfície-atmosfera ainda hoje estão ativas. Outra possibilidade é que o metano está sendo liberado em erupções semelhantes a plumas.

Neste cenário, os modelos sugerem que o metano pode ser liberado a um ritmo de algumas centenas de quilogramas por segundo, comparável ao das vigorosas plumas de água na lua de Saturno, Encélado, e muito superior ao tênue vapor observado em Ceres.

A pesquisa mostra a ligação entre as observações do Webb e a detalhada modelação espectral, oferecendo novos conhecimentos sobre o comportamento de superfícies ricas em voláteis na região trans-Netuniana.

Um artigo foi aceito para publicação no The Astrophysical Journal Letters.

Fonte: Southwest Research Institute

Detectada explosão de raios gama misteriosa

Os astrônomos detectaram uma explosão de raios gama que se repetiu várias vezes ao longo de um dia, um evento diferente de tudo o que já tinha sido observado anteriormente.

© ESO (explosão de raios gama GRB 250702B)

Descobriu-se que a fonte que deu origem a esta explosão de radiação poderosa se encontra fora da nossa Galáxia, tendo a sua localização sido identificada pelo Very Large Telescope (VLT) do Observatório Europeu do Sul (ESO).

As explosões de raios gama, são normalmente causadas pela destruição catastrófica de estrelas. No entanto, nenhum cenário conhecido consegue explicar completamente esta nova explosão agora observada, cuja verdadeira natureza permanece um mistério. As explosões de raios gama são as mais energéticas do Universo e têm origem em eventos catastróficos, como estrelas massivas que morrem em explosões poderosas ou são destruídas por buracos negros, entre outros. Geralmente duram entre alguns milésimos de segundos e alguns minutos, mas o sinal agora capturado, GRB 250702B, durou cerca de um dia, o que é 100 a 1.000 vezes mais longo do que a maioria das explosões de raios gama observadas até à data. Mais importante ainda, as explosões de raios gama nunca se repetem, uma vez que o evento que as produz é catastrófico.

O alerta inicial sobre esta explosão surgiu a 2 de Julho, proveniente do telescópio espacial de raios gama Fermi, da NASA. O Fermi detectou não apenas uma, mas três explosões vindas desta fonte ao longo de várias horas. Posteriormente, e em retrospectiva, descobriu-se que a fonte tinha estado ativa quase um dia antes, conforme observou a Sonda Einstein, um telescópio espacial de raios X da Academia de Ciências Chinesa em conjunto com a Agência Espacial Europeia (ESA) e o Instituto Max Planck de Física Extraterrestre.

Nunca se tinha visto uma explosão de raios gama tão longa e repetitiva. As observações forneceram apenas uma localização aproximada desta explosão de raios gama, a qual se encontrava na direção do plano da nossa Galáxia, uma região repleta de estrelas. Assim, a equipa recorreu ao VLT do ESO para identificar a fonte real dentro dessa área.

O tamanho e o brilho da galáxia hospedeira sugerem que esta pode estar localizada a alguns bilhões de anos-luz de distância da Terra, no entanto são necessários mais dados para refinar esta distância. A natureza do evento que deu origem a esta explosão de raios gama é ainda desconhecida.

Um dos cenários possíveis corresponde a uma estrela massiva colapsando sobre si mesma, um processo que libera enormes quantidades de energia. Alternativamente, uma estrela sendo dilacerada por um buraco negro poderá produzir uma explosão de raios gama com duração de um dia, mas para explicar outras propriedades observadas na explosão, é necessário ter uma estrela bastante incomum sendo destruída por um buraco negro ainda mais incomum.

Para saber mais sobre esta explosão de raios gama, a equipe tem monitorado os resultados da explosão com diferentes telescópios e instrumentos, incluindo o espectrógrafo X-shooter do VLT e o telescópio espacial James Webb.

Este trabalho foi publicado no periódico The Astrophysical Journal Letters.

Fonte: ESO