Perscrutando um buraco negro massivo no Universo primitivo

Os cientistas descobriram um enorme buraco negro no início do Universo que está dormente depois de se ter empanturrado com demasiada matéria.

© Jiarong Gu (buraco negro durante um dos seus curtos períodos de crescimento rápido)

Uma equipe internacional de astrônomos, liderada pela Universidade de Cambridge, utilizou o telescópio espacial James Webb para detectar este buraco negro no início do Universo, apenas 800 milhões de anos após o Big Bang. O buraco negro é enorme, com 400 milhões de vezes a massa do nosso Sol, o que faz dele um dos buracos negros mais massivos descobertos pelo Webb neste momento do desenvolvimento do Universo. 

O buraco negro é tão grande que representa cerca de 40% da massa total da galáxia que o acolhe: em comparação, a maioria dos buracos negros do Universo local tem cerca de 0,1% da massa da galáxia que os hospeda. No entanto, apesar do seu tamanho gigantesco, este buraco negro está acretando o gás de que necessita para crescer a um ritmo muito baixo, cerca de 100 vezes abaixo do seu limite máximo teórico, tornando-o essencialmente dormente. 

Um buraco negro tão massivo tão cedo no Universo, mas que não está crescendo, desafia os modelos existentes de como os buracos negros se desenvolvem. No entanto, os pesquisadores dizem que o cenário mais provável é que os buracos negros passem por curtos períodos de crescimento ultrarrápido, seguidos de longos períodos de dormência. 

Quando os buracos negros estão adormecidos, são muito menos luminosos, o que os torna mais difíceis de detectar, mesmo com telescópios altamente sensíveis como o Webb. Os buracos negros não podem ser observados diretamente, mas são detectados pelo brilho de um disco de acreção em seu redor, que se forma perto da orla do buraco negro. Quando os buracos negros estão crescendo ativamente, o gás no disco de acreção torna-se extremamente quente e começa a brilhar e a irradiar energia na região do ultravioleta.

De acordo com os modelos padrão, os buracos negros formam-se a partir do colapso de estrelas mortas e acumulam matéria até um limite previsto, conhecido como limite de Eddington, em que a pressão da radiação sobre a matéria ultrapassa a atração gravitacional do buraco negro. No entanto, a dimensão deste buraco negro sugere que os modelos padrão podem não explicar adequadamente como é que estes monstros se formam e crescem.

Trabalhando com colegas italianos, os pesquisadores de Cambridge realizaram uma série de simulações em computador para modelar a forma como este buraco negro adormecido poderia ter crescido até atingir uma dimensão tão massiva tão cedo no Universo. Descobriram que o cenário mais provável é que os buracos negros podem exceder o limite de Eddington durante curtos períodos, durante os quais crescem muito rapidamente, seguidos de longos períodos de inatividade.

Como os períodos de dormência são muito mais longos do que os períodos de crescimento ultrarrápido, é nestes períodos que os astrônomos têm mais probabilidades de detectar buracos negros. Devido às suas baixas luminosidades, os buracos negros dormentes são mais difíceis de detectar, mas este buraco negro é provavelmente a ponta de um iceberg muito maior, se os buracos negros no Universo primitivo passarem a maior parte do seu tempo num estado dormente.

Um artigo sobre o assunto foi publicado na revista Nature.

Fonte: University of Cambridge

Um pálido ponto azul

Esta imagem do telescópio espacial Hubble apresenta a galáxia LEDA 22057, que está localizada a cerca de 650 milhões de anos-luz de distância na constelação de Gêmeos.

© Hubble (galáxia LEDA 22057)

A galáxia LEDA 22057 é o local de uma explosão de supernova. Esta supernova em particular, chamada SN 2024PI, foi descoberta por uma pesquisa automatizada em janeiro de 2024. A exploração cobre toda a metade norte do céu noturno a cada dois dias e catalogou mais de 10.000 supernovas. 

A supernova é visível nesta imagem: localizada logo abaixo e à direita do núcleo galáctico, o ponto azul claro da SN 2024PI se destaca contra os braços espirais fantasmagóricos da galáxia. Esta imagem foi tirada cerca de um mês e meio após a descoberta da supernova, então ela é vista aqui muitas vezes mais fraca do que seu brilho máximo. 

A SN 2024PI é classificada como uma supernova Tipo Ia. Este tipo de supernova requer um objeto notável chamado anã branca, o núcleo cristalizado de uma estrela com uma massa menor que cerca de oito vezes a massa do Sol. Quando uma estrela deste tamanho usa o suprimento de hidrogênio em seu núcleo, ela incha em uma gigante vermelha, tornando-se fria, inchada e luminosa.

Com o tempo, pulsações e ventos estelares fazem com que a estrela perca suas camadas externas, deixando para trás uma anã branca e uma nebulosa planetária colorida. Anãs brancas podem ter temperaturas de superfície maiores que 100.000 graus e são extremamente densas, acumulando aproximadamente a massa do Sol em uma esfera do tamanho da Terra.

Embora quase todas as estrelas na Via Láctea um dia evoluam para anãs brancas, este é o destino que aguarda o Sol cerca de cinco bilhões de anos no futuro, nem todas explodirão como supernovas do Tipo Ia. Para que isso aconteça, a anã branca deve ser um membro de um sistema estelar binário. Quando uma anã branca absorve material de um parceiro estelar, a anã branca pode se tornar muito massiva para se sustentar. A explosão resultante de fusão nuclear descontrolada destrói a anã branca em uma explosão de supernova que pode ser vista em muitas galáxias distantes.

Fonte: ESA

Uma supernova na constelação da Baleia

A imagem obtida pelo telescópio espacial Hubble é a galáxia espiral NGC 337, localizada a cerca de 60 milhões de anos-luz de distância na constelação de Cetus (Baleia).

© Hubble (NGC 337)

Esta imagem combina observações feitas em dois comprimentos de onda, destacando o centro dourado e os arredores azuis da galáxia. O brilho central dourado vem de estrelas mais velhas, enquanto as bordas azuis brilhantes é devido às estrelas jovens. 

Se o Hubble tivesse observado a NGC 337 há cerca de uma década, o telescópio teria detectado algo notável entre as estrelas azuis quentes ao longo da borda da galáxia: uma supernova brilhante. 

A supernova, chamada SN 2014cx, é notável por ter sido descoberta quase simultaneamente de duas maneiras muito diferentes: por um prolífico caçador de supernovas, Koichi Itagaki, e pelo All Sky Automated Survey for SuperNovae (ASAS-SN). O ASAS-SN é uma rede mundial de telescópios robóticos que varre o céu em busca de eventos repentinos, como supernovas.

Pesquisadores determinaram que SN 2014cx era uma supernova Tipo IIP. A classificação “Tipo II” significa que a estrela que explodiu era uma supergigante pelo menos oito vezes mais massiva que o Sol. O “P” significa platô, indicando que depois que a luz da supernova começou a desaparecer, o nível atingiu um platô, permanecendo no mesmo brilho por várias semanas ou meses antes de desaparecer ainda mais. 

Esse tipo de supernova ocorre quando uma estrela massiva não consegue mais produzir energia suficiente em seu núcleo para evitar a pressão esmagadora da gravidade. Estima-se que a estrela progenitora de SN 2014cx tenha sido dez vezes mais massiva que o Sol e centenas de vezes mais extensa. Embora tenha diminuído há muito tempo de seu brilho inicial, os pesquisadores ainda estão de olho nessa estrela que explodiu, principalmente por meio do programa de observação do Hubble que produziu esta imagem.

Fonte: ESA

Um buraco negro de perfil

Pesquisadores da NASA descobriram um caso intrigante de um buraco negro que parece estar inclinado, girando numa direção inesperada em relação à galáxia que o rodeia.

© Chandra (estrutura da galáxia NGC 5084)

Esta galáxia, chamada NGC 5084, é conhecida há anos, mas o segredo lateral do seu buraco negro central estava escondido em antigos arquivos de dados. A descoberta foi possível graças a novas técnicas de análise de imagem desenvolvidas no Centro de Pesquisa Ames da NASA, em Silicon Valley, no estado norte-americano da Califórnia, para analisar dados de arquivo do observatório de raios X Chandra da agência espacial.

Usando os novos métodos, os astrônomos encontraram inesperadamente quatro longas plumas de plasma - gás quente e carregado - que emanam de NGC 5084. Um par de plumas estende-se para cima e para baixo do plano da galáxia. Um surpreendente segundo par, formando um "X" com o primeiro, encontra-se no plano da galáxia. As plumas de gás quente não são frequentemente observadas em galáxias e tipicamente apenas uma ou duas estão presentes.

O surpreendente segundo conjunto de plumas foi um forte indício de que esta galáxia abrigava um buraco negro supermassivo, mas poderia ter havido outras explicações. Dados de arquivo do telescópio espacial Hubble e do ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) no Chile revelaram então outra peculiaridade de NGC 5084: um pequeno disco interior, poeirento, girando no centro da galáxia. Também este fato sugere a presença de um buraco negro e, surpreendentemente, este gira num ângulo de 90 graus em relação à rotação da galáxia; o disco e o buraco negro estão, de certa forma, orientados de lado.

As análises de acompanhamento de NGC 5084 permitiram a análise da galáxia utilizando uma vasta gama do espectro eletromagnético, desde a luz visível, observada pelo Hubble, até aos comprimentos de onda mais longos observados pelo ALMA e pelo EVLA (Expanded Very Large Array) do NRAO (National Radio Astronomy Observatory), localizado no Novo México, EUA.

© Hubble (estrutura da galáxia NGC 5084)

Imagem do núcleo da galáxia NGC 5084 obtida pelo telescópio espacial Hubble. Uma linha escura e vertical perto do centro mostra a curva de um disco poeirento que orbita o núcleo, cuja presença sugere a existência de um buraco negro supermassivo no seu interior. O disco e o buraco negro partilham a mesma orientação, totalmente inclinados em relação à orientação horizontal da galáxia.

Normalmente, é esperado que a energia de raios X emitida por grandes galáxias seja distribuída uniformemente numa forma geralmente esférica. Quando isso não acontece, como quando se concentra num conjunto de plumas de raios X, revela que algo perturbou a galáxia. Possíveis momentos dramáticos na sua história, que poderiam explicar o buraco negro tombado e o duplo conjunto de plumas de NGC 5084, incluem uma colisão com outra galáxia e a formação de uma chaminé de gás superaquecido que se desprende da parte superior e inferior do plano galáctico.

Serão necessários mais estudos para determinar que evento ou eventos levaram à estranha estrutura atual desta galáxia. Mas é já claro que a arquitetura nunca antes vista de NGC 5084 só foi descoberta graças a dados de arquivo - alguns com quase três décadas - combinados com novas técnicas de análise.

O artigo científico que apresenta esta pesquisa foi publicado no periódico The Astrophysical Journal. O método de análise de imagem desenvolvido pela equipe, denominado SAUNAS (Selective Amplification of Ultra Noisy Astronomical Signal), foi descrito no periódico The Astrophysical Journal.

Fonte: NASA

Descobertos os menores asteroides no cinturão principal

Estima-se que o asteroide que levou à extinção dos dinossauros tinha cerca de 10 quilômetros de diâmetro.

© MIT (pequenos asteroides do cinturão principal)

A imagem mostra o telescópio espacial James Webb revelando, no infravermelho, uma população de pequenos asteroides do cinturão principal.

Prevê-se que um objeto tão massivo atinja a Terra raramente, uma vez em cada 100 milhões a 500 milhões de anos. Em contraste, asteroides muito menores, do tamanho de um carro, podem atingir a Terra com maior frequência, de poucos em poucos anos. 

Estes asteroides decamétricos, com apenas dezenas de metros de diâmetro, têm maior probabilidade de escapar do cinturão principal de asteroides e migrar para se tornarem objetos próximos da Terra. Em caso de impacto, estas pequenas mas poderosas rochas espaciais podem provocar ondas de choque em regiões inteiras, como foi o caso do impacto de 1908 em Tunguska, na Sibéria, e do asteroide de 2013 que se fragmentou no céu sobre Chelyabinsk, nos Urais. 

A possibilidade de observar asteroides decamétricos do cinturão principal forneceria uma janela para a origem dos meteoritos. Agora, uma equipe internacional liderada por físicos do MIT (Massachusetts Institute of Technology) descobriu uma forma de detectar asteroides decamétricos no cinturão principal, um campo de destroços entre Marte e Júpiter onde orbitam milhões de asteroides. 

Até agora, os asteroides menores que os cientistas conseguiam distinguir tinham cerca de um quilômetro de diâmetro. Com a nova abordagem, os cientistas podem agora detectar asteroides com apenas 10 metros de diâmetro. Foram detectados mais de 100 novos asteroides decamétricos no cinturão principal. 

O novo estudo utilizou dados do observatório mais poderoso do mundo, o telescópio espacial James Webb da NASA, que é particularmente sensível ao infravermelho em vez da luz visível. Acontece que os asteroides que orbitam no cinturão principal são muito mais brilhantes nos comprimentos de onda infravermelhos do que nos comprimentos de onda visíveis. Após o processamento das imagens, os pesquisadores conseguiram detectar oito asteroides conhecidos no cinturão principal. Depois, foram mais longe e descobriram 138 novos asteroides nesta região, todos com dezenas de metros de diâmetro, os menores asteroides do cinturão principal detectados até à data. Suspeita-se que alguns asteroides estão a caminho de se tornarem objetos próximos da Terra, enquanto um é provavelmente um troiano, ou seja, um asteroide que segue Júpiter.

Um artigo foi publicado na revista Nature.

Fonte: Massachusetts Institute of Technology

O mistério da verdadeira idade da Lua

Muito sobre a Lua permanece envolto em mistério, incluindo a sua idade.

© A. Chizhik (ilustração do aspecto da Lua durante o evento de aquecimento de maré)

Análises de amostras trazidas da superfície lunar indicam que a nossa companheira celeste pode ter cerca de 4,35 bilhões de anos, o que significa que surgiu cerca de 200 milhões de anos após a formação do nosso Sistema Solar. 

Mas este imenso desfasamento não agrada a alguns cientistas. Durante os primeiros tempos do Sistema Solar, os detritos e os corpos planetários colidiram e coalesceram para formar planetas. Por volta dos 200 milhões de anos, a maior parte destes detritos caóticos tinha sido arrastada para corpos maiores. Assim, muitos cientistas que simulam a evolução do Sistema Solar consideram improvável a ideia de uma colisão massiva que tenha formado a Lua tão tarde.

Os pesquisadores propõem uma possível explicação para esta discrepância: a Lua teria sofrido uma nova fusão há 4,35 bilhões de anos, devido à atração das marés da Terra, que provocou uma convulsão geológica generalizada e um aquecimento intenso. Esta segunda fusão teria "reiniciado" a idade das rochas lunares, ocultando a verdadeira idade da Lua com o que poderia ser comparado a uma cirurgia plástico-vulcânica. 

A Lua fascina a humanidade há milénios e, nos últimos séculos, as pessoas começaram a perguntar-se como e quando a Lua se formou. Uma das razões para enviar astronautas à Lua foi para responder a esta pergunta. A Lua também serve como um degrau luminoso para compreender objetos mais distantes. Mas, se não conseguimos determinar a idade da Lua, como podemos ter a certeza da idade exata de qualquer coisa para além dela? 

Pensa-se que a Lua nasceu de uma colisão entre a Terra primitiva e um protoplaneta da dimensão de Marte, o último impacto gigante na história do nosso planeta. A data deste evento foi estimada através da datação de amostras lunares que se presume terem sido cristalizadas a partir do oceano de magma lunar que existiu após o impacto, situando a idade da Lua em cerca de 4,35 bilhões de anos. No entanto, esta idade não explica várias discrepâncias com modelos térmicos e outras evidências, como as idades de alguns minerais de zircão na superfície lunar, que sugerem que a Lua poderia ter até 4,51 bilhões de anos.

A hipótese de que um evento de refusão, impulsionado pela evolução orbital da Lua, poderia explicar a ocorrência frequente de rochas com cerca de 4,35 bilhões de anos, como as recolhidas pelas missões Apollo dos EUA e outras, e não a primeira solidificação do oceano lunar de magma.

A Lua pode ter sofrido aquecimento de maré suficiente para causar esta segunda fusão. O aquecimento de maré é um processo no qual as forças gravitacionais entre dois corpos celestes causam atrito interno que leva a um aquecimento intenso. No caso da Lua, este efeito foi provavelmente mais pronunciado no início da sua história, quando estava mais próxima da Terra. 

De acordo com os modelos mais recentes, durante certos períodos dos seus primeiros anos, a órbita da Lua teria sido instável, fazendo com que sofresse forças de maré intensas da Terra que poderiam ter levado a eventos de aquecimento significativos, alterando drasticamente a geologia da Lua. Os pesquisadores estabelecem paralelos entre este hipotético evento de aquecimento na Lua e a atual atividade vulcânica observada na lua de Júpiter, Io, que é conhecida como o corpo mais vulcanicamente ativo do Sistema Solar. A atividade vulcânica em Io é impulsionada por forças de maré semelhantes às que podem ter marcado o início da história da Lua, com atividade vulcânica generalizada e a superfície a ser constantemente remodelada por erupções.

Os pesquisadores também afirmam que a refusão da Lua explicaria o fato de existirem menos bacias lunares de impacto dos primeiros bombardeamentos do que seria de esperar, uma vez que teriam sido apagadas durante um evento de aquecimento. Esta explicação sugere que a formação da Lua ocorreu entre 4,43 a 4,53 bilhões de anos atrás, no limite superior das estimativas anteriores de idade.

A recente entrega de amostras lunares pela missão Chang'e 6 da China é motivo de grande entusiasmo. Estas amostras, recolhidas no lado oculto da Lua, fornecerão dados valiosos para compreender os processos que moldaram a sua história.

Esta pesquisa não só oferece uma nova perspectiva sobre o passado da Lua, como também abre a porta para investigações mais sutis sobre a sua formação e evolução. A interação entre a geoquímica e as simulações está ajudando os cientistas a preencher as lacunas da história lunar, com o aquecimento de maré emergindo como um mecanismo crucial para compreender as características geológicas da Lua.

Um artigo foi publicado na revista Nature.

Fonte: Max Planck Institute for Solar System Research

Os discos de formação planetária no Universo primitivo

O telescópio espacial James Webb acaba de resolver um enigma ao comprovar uma descoberta controversa feita com o telescópio espacial Hubble há mais de 20 anos.

© Webb (NGC 346)

Na imagem, os dez pequenos círculos amarelos sobrepostos indicam as posições das dez estrelas estudadas nessa pesquisa.

Em 2003, o Hubble forneceu evidências da existência de um planeta massivo em torno de uma estrela muito antiga, quase tão antiga quanto o Universo. Estas estrelas possuem apenas pequenas quantidades de elementos mais pesados, que são os blocos de construção dos planetas. Isto implica que alguma formação planetária ocorreu quando o nosso Universo era muito jovem, e esses planetas tiveram tempo para se formarem e crescerem dentro dos seus discos primordiais, ficando até maiores do que Júpiter. Mas como? 

Isto era muito intrigante. Para responder a esta questão, os pesquisadores usaram o Webb para estudar estrelas numa galáxia próxima que, tal como o Universo primitivo, não possui grandes quantidades de elementos pesados. Descobriram que não só algumas estrelas dessa galáxia têm discos de formação planetária, mas que esses discos têm uma vida mais longa do que os observados ao redor de estrelas jovens na Via Láctea.

No Universo primitivo, as estrelas formavam-se principalmente a partir de hidrogênio e hélio, e muito poucos elementos mais pesados como o carbono e o ferro, que surgiram mais tarde através de explosões de supernova. Os modelos atuais preveem que, com tão poucos elementos mais pesados, os discos em torno das estrelas têm um tempo de vida curto, tão curto que os planetas não podem crescer. 

Para testar esta ideia, os cientistas apontaram o Webb para a Pequena Nuvem de Magalhães, uma galáxia anã que é uma das vizinhas mais próximas da Via Láctea. Em particular, examinaram o aglomerado massivo e formador de estrelas NGC 346, que também tem uma relativa escassez de elementos mais pesados. O aglomerado serviu como uma representação vizinha para o estudo de ambientes estelares com condições semelhantes no Universo primitivo e distante. 

As observações Hubble de NGC 346, em meados dos anos 2000, revelaram muitas estrelas com cerca de 20 a 30 milhões de anos que pareciam ter ainda discos de formação planetária à sua volta. Este fato contraria a crença convencional de que tais discos se dissipariam ao fim de 2 ou 3 milhões de anos. Agora, graças à sensibilidade e resolução do Webb, os cientistas têm os primeiros espectros de estrelas em formação, semelhantes ao Sol, e dos seus ambientes imediatos numa galáxia próxima. 

Esta descoberta refuta as previsões teóricas anteriores, segundo as quais, quando há poucos elementos mais pesados no gás em torno do disco, a estrela sopraria esse disco para longe, e muito rapidamente. Assim, a vida do disco seria muito curta, mesmo inferior a um milhão de anos. Mas se um disco não fica ao redor da estrela o tempo suficiente para que os grãos de poeira se colem e formem seixos que se tornam no núcleo de um planeta, como é que os planetas se podem formar?

Os pesquisadores explicaram que podem existir dois mecanismos distintos, ou mesmo uma combinação, para que os discos de formação planetária persistam em ambientes com poucos elementos mais pesados. Em primeiro lugar, para poder soprar o disco para longe, a estrela aplica pressão de radiação. Para que esta pressão seja eficaz, os elementos mais pesados do que o hidrogênio e o hélio teriam de residir no gás. Mas o massivo aglomerado estelar NGC 346 tem apenas cerca de dez por cento dos elementos mais pesados que estão presentes na composição química do nosso Sol. Talvez uma estrela deste aglomerado demore mais tempo a dispersar o seu disco. A segunda possibilidade é que, para uma estrela semelhante ao Sol se formar quando há poucos elementos mais pesados, teria de começar a partir de uma nuvem de gás maior, que produzirá um disco maior. Assim, há mais massa no disco e, por conseguinte, demoraria mais tempo a expulsar o disco, mesmo que a pressão da radiação funcionasse da mesma forma.

Os discos demoram dez vezes mais tempo a desaparecer. Isto tem implicações na forma como um planeta se forma e no tipo de arquitetura de sistema que se pode ter nesses diferentes ambientes.

Um artigo foi publicado no periódico The Astrophysical Journal.

Fonte: ESA