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Sábado, Maio 21, 2022

Astrônomos encontram o primeiro buraco negro à deriva na Via Láctea

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Estes são tempos de boom para os astrônomos que caçam buracos negros. Os maiores – buracos negros supermassivos que podem pesar bilhões de sóis – foram encontrados nos centros de quase todas as galáxias, e temos até conseguiu uma imagem. Enquanto isso, os pesquisadores agora detectam rotineiramente ondas gravitacionais ondulando através do universo de buracos negros de fusão menores. Mais perto de casa, testemunhamos os dramáticos fogos de artifício celestes produzidos quando o próprio buraco negro supermassivo da Via Láctea e seus primos mais diminutos se alimentam de nuvens de gás ou mesmo estrelas inteiras. Nunca antes, porém, vimos um fenômeno há muito previsto: um buraco negro isolado flutuando sem rumo pelo espaço, nascido e lançado do núcleo em colapso de uma estrela massiva.

Até agora.

Os cientistas anunciaram a primeira descoberta inequívoca de um buraco negro flutuante, um vagabundo vagabundo no vazio a cerca de 5.000 anos-luz da Terra. O resultado, que apareceu 31 de janeiro no servidor de pré-impressão arXiv mas ainda não foi revisado por pares, representa o culminar de mais de uma década de busca ardente. “É super empolgante”, diz Marina Rejkuba, do Observatório Europeu do Sul na Alemanha, coautora do artigo. “Nós podemos realmente provar que existem buracos negros isolados.” Essa descoberta pode ser apenas o começo; Espera-se que pesquisas em andamento e missões futuras encontrem dezenas ou até centenas de viajantes sombrios e solitários. “É a ponta do iceberg”, diz Kareem El-Badry, do Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, que não esteve envolvido no artigo.

Em 1919, o astrônomo britânico Arthur Stanley Eddington realizou um experimento famoso. As teorias da relatividade especial e geral de Einstein postularam que objetos massivos deveriam causar um dente no espaço-tempo, dobrando os raios de luz próximos em um processo conhecido como lente gravitacional. Eddington provou que isso é verdade durante um eclipse solar total, quando o brilho do sol foi minimizado para que as estrelas de fundo adjacentes a ele no céu pudessem ser vistas. Usando uma técnica conhecida como astrometria, ele observou cuidadosamente as posições dessas estrelas antes e durante o eclipse, revelando uma mudança sutil em suas localizações aparentes no céu devido à sua luz ser distorcida pela considerável atração gravitacional de nossa estrela. “A posição aparente das estrelas teve uma pequena mudança”, diz Feryal Özel, da Universidade do Arizona, que também não participou do artigo.

Nas décadas seguintes, os cientistas perceberam um novo uso para esta técnica. Estrelas com cerca de 20 vezes a massa do nosso Sol devem formar buracos negros no final de suas vidas, quando seus núcleos pesados ​​colapsam sob seu próprio peso após a exaustão de seu combustível termonuclear. O nascimento de um buraco negro de massa estelar – uma esfera do tamanho de uma cidade contendo dezenas de vezes a massa do nosso sol – é frequentemente acompanhado por uma supernova brilhante das enormes energias liberadas pelo colapso do núcleo. Essas forças podem ser tão grandes que às vezes chutam o buraco negro recém-nascido para fora de seu útero em um cruzeiro interestelar sem fim. Esse desejo cósmico de viajar – mais os pequenos tamanhos dos buracos negros e a escuridão inerente – deve torná-los quase impossíveis de ver. O trabalho de Eddington, no entanto, sugeriu que esses párias poderiam ser encontrados observando seus efeitos de lente – normalmente um brilho transitório revelador de qualquer estrela de fundo que os buracos negros voam dentro do nosso campo de visão. As chances de ver tal evento para um buraco negro isolado eram pequenas, mas dado que milhões de buracos negros de massa estelar estão à deriva em nossa galáxia, alguns podem aparecer em pesquisas suficientemente amplas e profundas do céu.

Vários projetos agora buscam esses e outros eventos chamados de microlentes, incluindo o Optical Gravitational Lensing Experiment (OGLE), realizado pela Universidade de Varsóvia, na Polônia, e a pesquisa Microlensing Observations in Astrophysics (MOA), realizada por pesquisadores da Nova Zelândia e Japão. Em junho de 2011, essas duas pesquisas detectaram algo digno de nota: uma estrela repentinamente brilhante a 20.000 anos-luz de distância em direção à protuberância galáctica densamente compactada no centro da Via Láctea. Isso poderia ter sido um evento de microlente de um buraco negro desonesto? Os astrônomos correram para descobrir.

Entre eles estava Kailash Sahu do Space Telescope Science Institute em Baltimore, o principal autor da pré-impressão do arXiv detalhando a descoberta do objeto. Usando o Telescópio Espacial Hubble, ele e seus colegas ampliaram a estrela poucas semanas depois de seu brilho, depois retornaram a ela várias vezes nos seis anos seguintes. Eles foram capazes de confirmar que a luz da estrela havia sido ampliada, apontando para a presença de um objeto de lente invisível, mas encontraram algo ainda mais importante. A posição aparente da estrela no espaço havia mudado por uma quantidade minúscula. O efeito foi “1.000 vezes menor do que o medido por Eddington”, diz Sahu, e estava próximo dos limites das capacidades do Hubble. Algo escondido havia amplificado e distorcido a luz da estrela. O melhor candidato? Um buraco negro invisível de massa estelar, 7,1 vezes a massa do nosso sol.

“Não havia outra possibilidade além de um buraco negro”, diz Sahu. Duas coisas eram necessárias para confirmar que esse fosse o caso. “O primeiro critério era que não deveria haver luz proveniente da lente”, diz Sahu, para descartar objetos mais prosaicos, como uma estrela falhada conhecida como anã marrom. A segunda era que o efeito de ampliação deveria ter uma longa duração, dado o tamanho expansivo da esfera de influência gravitacional de um buraco negro. Com duração de cerca de 300 dias, o evento de junho de 2011 se encaixou. “É uma análise bastante completa e cuidadosa”, diz El-Badry. “Eles fizeram a devida diligência.”

A quantidade de lente e deflexão da luz da estrela permitiu que Sahu e seus colaboradores fixassem a massa do buraco negro suspeito em pouco mais de sete massas solares. Isso o coloca “bem no meio” do que esperávamos para buracos negros de massa estelar, diz Özel. A equipe também conseguiu calcular sua velocidade. “Ele está se movendo a cerca de 45 quilômetros por segundo”, diz Sahu. Isso é relativamente rápido em comparação com estrelas próximas – o tipo exato de coisa que se esperaria se o buraco negro tivesse recebido um chute de ejeção de uma estrela massiva moribunda. Não está claro quando esse evento teria acontecido, mas “pode ser algo próximo de 100 milhões de [years ago]”, diz Sahu. “Não podemos realmente dizer porque não sabemos exatamente de onde veio.”

Esta não é, no entanto, a primeira dica observacional de microlente de buracos negros de massa estelar desonestos; vários outros candidatos anterior a este. O que é diferente agora é a medição bem-sucedida da deflexão gravitacional da luz da estrela do objeto de lente, em vez de sua mera amplificação, permitindo que a massa do objeto de lente – e, portanto, sua verdadeira natureza – seja conclusivamente suposta. “Houve detecções de candidatos a buracos negros antes, mas eles não tinham essas medidas astrométricas”, diz David Bennett no Goddard Space Flight Center da NASA, coautor com Sahu e outros no artigo de descoberta. “Esta técnica é a melhor para usar em buracos negros de massa estelar isolados. Esta é a primeira tentativa de fazê-lo. Todos os buracos negros que foram encontrados antes foram encontrados porque são não isolado.”

A massa desse buraco negro oferece mais evidências de que os modelos de formação dos astrofísicos estão corretos – que buracos negros solitários podem surgir das cinzas de progenitores estelares especialmente robustos. É possível, porém, que esses buracos negros também possam se formar em sistemas binários antes de se tornarem nômades no vazio. Para este objeto em particular, não é possível dizer com certeza qual história de origem ocorreu. O que é certo, porém, é que encontrar buracos negros mais isolados permitirá aos pesquisadores investigar e refinar esses modelos com mais detalhes. “Nós nunca fomos capazes de estudar buracos negros por si só”, diz Özel. “Então, essa nova maneira de encontrá-los e poder determinar sua massa é definitivamente empolgante. Eles estão se formando de forma diferente? A distribuição em massa deles é diferente?”

As respostas para essas perguntas podem chegar em breve. O telescópio Gaia da Agência Espacial Européia está atualmente mapeando as posições de bilhões de estrelas em nossa Via Láctea. Em 2025, os cientistas do projeto divulgarão dados de lentes de suas observações, que devem conter evidências de muito mais singletons de massa estelar circulando em torno de nossa galáxia. “Os dados do Gaia serão de qualidade semelhante ou até melhor do que os do Hubble”, diz Łukasz Wyrzykowski, da Universidade de Varsóvia, coautor deste último artigo de descoberta que também caça aos buracos negros desonestos com Gaia. Os próximos dados de lentes, ele estima, conterão dezenas de candidatos adicionais.

O Observatório Vera C. Rubin no Chile, que está programado para iniciar uma pesquisa de 10 anos do céu noturno no próximo ano, também deve colher sua própria safra de buracos negros desonestos, assim como o Telescópio Espacial Romano Nancy Grace da NASA, programado para lançamento em 2027. Rubin e Roman têm campos de visão muito amplos, permitindo que cada um capture vistas panorâmicas repletas de estrelas nas quais um grande número de buracos negros flutuantes devem se esconder. “A expectativa é que esses dados estejam lá”, diz El-Badry. “A esperança é que [Rubin and Roman] será capaz de medir esta mudança astrométrica por muitos [stars].”

Por enquanto, esta descoberta sombria prevê um futuro brilhante para a busca. Buracos negros de massa estelar desonestos, há muito previstos, mas apenas agora confirmados por observação, podem ser suficientemente comuns em nossa galáxia para apoiar estudos demográficos de sua população. Determinar sua verdadeira abundância, massas e outras propriedades poderia reforçar nossas teorias ainda incompletas da evolução estelar – ou revelar novas lacunas importantes em nossa compreensão. “Estávamos esperando por essa descoberta há muitos e muitos anos”, diz Wyrzykowski. “Isso mostra que esse método funciona. A microlente gravitacional é a maneira de encontrar esses buracos negros isolados.”



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