Achávamos que entendíamos o ‘primeiro’ buraco negro. Mas estávamos errados, dizem cientistas

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Impressão artística do sistema Cygnus X-1. Crédito: Centro Internacional de Pesquisa em Radioastronomia.

Por Michelle Starr
Publicado na ScienceAlert

Os astrônomos revisitaram o primeiro buraco negro de massa estelar já identificado e descobriram que ele é, pelo menos, 50% mais massivo do que pensávamos.

O buraco negro no sistema binário de raios-X Cygnus X-1 foi recalculado e mostrou ser 21 vezes a massa do Sol. Isso o torna o buraco negro de massa estelar mais massivo já detectado sem o uso de ondas gravitacionais, e está forçando os astrônomos a repensar como os buracos negros se formam.

Cygnus X-1 foi descoberto pela primeira vez como uma fonte de raios-X em 1964, e seu status como um buraco negro passou a ser objeto de uma aposta entre os astrofísicos Stephen Hawking e Kip Thorne.

Mais tarde, os cientistas validaram a interpretação de buraco negro sobre a natureza do objeto, concluindo que a emissão de raios-X foi produzida pelo buraco negro se alimentando de um companheiro binário.

Tornou-se um dos buracos negros mais estudados no céu, e os astrônomos pensaram que ele já estava bastante bem compreendido: tratava-se um objeto a cerca de 6.070 anos-luz de distância, com uma massa de 14,8 massas solares e um companheiro binário supergigante azul chamado HDE 226868 em cerca de 24 massas solares.

Mas de acordo com novas observações, estávamos errados.

Astrônomos conduziram novas observações de paralaxe do sistema, observando como ele parece “balançar” no céu enquanto a Terra orbita o Sol, usando o Very Long Baseline Array, uma coleção de radiotelescópios atuando juntos como um prato de coleta do tamanho de um continente.

Em última análise, suas observações mostraram que Cygnus X-1 está a uma distância significativa mais longe do que pensávamos. O que significa que os próprios objetos são significativamente maiores.

“Usamos radiotelescópios para fazer medições de alta precisão de Cygnus X-1 – o primeiro buraco negro já descoberto”, explicou o astrônomo James Miller Jones do Centro Internacional de Pesquisa em Radioastronomia (ICRAR) da Austrália.

“O buraco negro está em uma órbita de poucos dias com uma estrela companheira massiva. Ao rastrear pela primeira vez a órbita do buraco negro no céu, recalculamos a distância do sistema, colocando-o a mais de 7.000 anos-luz da Terra”.

“Isso implicava que o buraco negro tinha mais de 20 vezes a massa do nosso Sol, tornando-o o buraco negro de massa estelar mais massivo já descoberto sem o uso de ondas gravitacionais. Isso desafia nossas ideias de como estrelas massivas evoluem para formar buracos negros”.

Anteriormente, o buraco negro de massa estelar de maior massa detectado eletromagneticamente era o M33 X-7, por volta de 15,65 vezes a massa do Sol. Na época de sua descoberta, até o M33 X-7 desafiou nossos modelos de formação de buracos negros.

Os cientistas concluíram que, à medida que a estrela massiva que entrou em colapso para formar o buraco negro chegou ao fim de sua vida, ela perdeu massa mais lentamente do que os modelos sugeriam. Eles acreditam em algo semelhante para o Cygnus X-1.

“As estrelas perdem massa para o ambiente ao seu redor por meio de ventos estelares que sopram de sua superfície. Mas para criar um buraco negro tão pesado, precisamos diminuir a quantidade de massa que estrelas brilhantes perdem durante suas vidas”, disse o astrofísico teórico Ilya Mandel do Centro de Excelência ARC em Descoberta de Ondas Gravitacionais (OzGrav) na Austrália.

A estrela precursora do buraco negro Cygnus X-1 teria começado em cerca de 60 massas solares, explodindo seu material externo antes do núcleo provavelmente colapsar diretamente no objeto denso que é hoje, contornando a explosão de uma supernova.

Agora, ele está travado em uma dança orbital de 5,6 dias incrivelmente próxima com sua companheira supergigante azul, que agora também tem uma massa revisada, elevando-a para 40 massas solares.

É grande o suficiente para que um dia também termine como um buraco negro, formando um buraco negro binário semelhante aos vistos nas fusões que geram ondas gravitacionais.

É, entretanto, improvável que o binário se funde logo. A medição de distância refinada também permitirá aos astrônomos recalcular outras características do Cygnus X-1. Em um estudo separado, os astrônomos descobriram que ele está girando quase tão rápido quanto a velocidade da luz. Isso é mais rápido do que qualquer outro buraco negro já medido.

Isso está em contraste direto com os binários de ondas gravitacionais, que têm rotações muito lentas ou desalinhadas. Isso sugere que Cygnus X-1 seguiu um caminho evolutivo diferente do que os buracos negros binários que vimos se fundirem.

Dada a distância entre Cygnus X-1 e HDE 226868, os pesquisadores calcularam que o par provavelmente não se fundirá em uma escala de tempo igual à idade do Universo – 13,8 bilhões de anos.

Estudar o sistema agora, antes que o segundo colapso do buraco negro aconteça, apresenta uma rara oportunidade para entender os buracos negros binários.

“Observações como essas nos dizem muito sobre os caminhos evolutivos que são possíveis na criação de buracos negros duplos, alguns dos quais detectores de ondas gravitacionais baseados no solo como LIGO e Virgo têm encontrado regularmente”, disse a física Ashley Ruiter da Universidade de Nova Gales do Sul de Canberra, na Austrália, que não participou da pesquisa.

“É ótimo que ainda possamos pegar o binário ‘em ação’ com luz eletromagnética antes que ele forme um buraco negro duplo – isso ajuda a refinar nossas teorias sobre a evolução de estrelas binárias próximas”.

A pesquisa da equipe foi publicada na Science.