Buraco negro de tamanho médio encontrado em aglomerado globular

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Esta representação artística ilustra como um buraco negro de massa intermediária distorceria a luz de um aglomerado globular ao fundo. Crédito: M. Weiss CfA.

Artigo traduzido de Scientific American. Autor: Jesse Emspak.

Durante décadas, os astrônomos têm rastreado buracos negros com massas milhões de vezes maiores que a massa do Sol, bem como aqueles com dezenas de massas solares. Mas os buracos negros entre esses dois extremos se mostraram evasivos. Agora, os astrônomos que estudam um aglomerado globular encontraram apenas um buraco negro no seu centro, mostrando que os buracos negros de massa intermediária poderiam estar escondidos nestes aglomerados compactos de estrelas.

Bülent Kiziltan, astrônomo do Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian (CfA) e seus co-autores Holger Baumgardt (da Universidade de Queensland) e Abraham Loeb (também da CfA), encontraram um buraco negro entre 1.400 e 3.700 massas solares no centro de 47 Tucanae, um aglomerado globular no céu do sul a cerca de 16.700 anos-luz da Terra.

Os buracos negros geralmente são encontrados pela emissão de quantidades massivas de raios-X à medida que a matéria colapsa nele. Os candidatos a buraco negro de tamanho médio têm sido encontrados em galáxias.  Um grupo da Universidade de Maryland e da NASA Goddard Space Flight Center encontrou um em outra galáxia em 2015, e há cerca de uma dúzia de objetos no total.

Kiziltan e sua equipe encontraram este buraco negro medindo movimentos de pulsares dentro do aglomerado. Encontraram os sinais indicadores de um objeto massivo e compacto no coração do aglomerado. A explicação mais provável para os movimentos era um buraco negro.

“Buracos negros de massa intermediária têm sido esperados [em aglomerados globulares] por muitas décadas”, disse Kiziltan ao Space.com. “Mas não conseguimos encontrar um conclusivo.”

Os teóricos acham que buracos negros de massa intermediária se formam a partir de estrelas que têm pelo menos algumas dezenas de vezes a massa do Sol. Quando elas ficam sem combustível nuclear, não há mais energia suficiente da radiação para segurar as camadas externas da estrela contra sua imensa gravidade. A estrela entra em colapso e explode como uma supernova (supernovas podem ofuscar as galáxias em que residem). O que resta da estrela, em seguida, encolhe a um volume minúsculo. Uma estrela de 100 massas solares, ao se tornar um buraco negro, teria um raio de cerca de 290 quilômetros. A velocidade de escape da antiga estrela excede a da luz, resultando em um buraco negro, do qual nada pode escapar.

Uma grande questão para os astrônomos é como essa população de buracos negros se parece. Dado que há buracos negros supermassivos, e os de massa estelar, deve haver uma população de buracos negros com massas entre esses dois. Mas não parece ser tantos como o esperado. Os centros de aglomerados globulares, que são aglomerações de velhas estrelas, pareciam um bom lugar para olhar, como estudos anteriores indicaram.

O problema é que os buracos negros são visíveis somente quando as coisas caem neles. Como tal, os pesquisadores precisavam de outro método que não dependesse de pegar as emissões de rádio.

É por isso que Kiziltan e seus colegas decidiram olhar para os pulsares que habitam um aglomerado globular. Os pulsares se formam a partir de estrelas menos massivas do que aquelas que formam buracos negros. Depois que essas estrelas explodem em supernova, elas colapsam em estrelas de nêutrons.

Algumas estrelas de nêutrons giram rapidamente e emitem ondas de rádio ao longo de uma linha deslocada de seus eixos de rotação. Estas são chamadas pulsares. Observadores terrestres os veem se a Terra estiver na linha de emissão quando o rádio varre o céu. As taxas de rotação dos pulsares mudam tão pouco que são cronometristas precisos. São precisos o suficiente para que, pelo tempo do sinal e por qualquer mudança no Doppler, seja possível medir um pulsar se movimentando ao longo da linha de visão.

O grupo de Kiziltan acompanhou o movimento de cerca de duas dúzias de pulsares e usou simulações de computador para modelar o aglomerado para rastrear seu candidato a buraco negro.

“Estamos propondo uma abordagem totalmente nova para o estudo de aglomerados globulares”, disse Kiziltan. “Não é só como ver a assinatura dinâmica de um buraco negro, mas como sondar a região próxima dele sem chegar muito perto”. Observar os centros de aglomerados globulares é geralmente difícil, porque a densidade das estrelas torna difícil ver o que está acontecendo.

Encontrar o buraco negro de massa intermediária levanta mais perguntas sobre como esses buracos negros se formam, disse Cole Miller, professor de astronomia na Universidade de Maryland, que estuda formação de buracos negros. “Digamos que seja um buraco negro de massa intermediária – disse ele. – Como ele se formou?”

“Os aglomerados globulares têm pequenas velocidades de fuga”, disse ele. “Assim as estrelas devem soprar todo o gás.” Pode haver algum gás, com a idade das estrelas, como os ventos estelares de uma gigante vermelha. “Mas essa quantidade de gás não está suficientemente perto para criar um buraco negro de massa intermediária.”

Isso difere dos buracos negros supermassivos nos centros galácticos, acrescentou, porque seria de esperar que muita matéria se acumulasse ali, alimentando um buraco negro e permitindo seu crescimento rápido.

Kiziltan e Cole disseram que havia várias maneiras de fazer com que buracos negros crescessem no início da história de um aglomerado. “Um dos meus favoritos é colisões de estrelas ou buracos negros de massa estelar”, disse Miller. “Um efeito interessante é, se você tem um monte de estrelas em uma região estelar densa, a mais pesada vai começar colisões. Uma vez que um buraco negro se forma – talvez quando uma estrela que absorveu alguns vizinhos morre – toda a matéria que não está em uma órbita estável em torno do buraco negro vai colapsar ou ser ejetado do aglomerado”, disse ele. Isso coloca uma parada automática no crescimento do buraco negro.

Para que os cientistas tenham um melhor controle sobre como esses buracos negros podem se formar em aglomerados, mais deles precisam ser encontrados – mas isso não será fácil, disse Kiziltan. A única razão pela qual funcionou para 47 Tucanae foi que havia pulsares suficientes, e eles estavam perto o suficiente para observar. Nem todo aglomerado globular tem a combinação certa de distância e pulsares brilhantes.

O estudo apareceu na revista Nature de 8 de fevereiro.

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