• Começa Com Um Estrondo

Pergunte a Ethan: Acabamos de encontrar os buracos negros desaparecidos do universo?

Esta simulação mostra a radiação emitida por um sistema binário de buracos negros. Em princípio, deveríamos ter binários de estrelas de nêutrons, binários de buracos negros e sistemas de estrelas de nêutrons-buracos negros, cobrindo toda a faixa de massa permitida. Na prática, vemos uma 'lacuna' em tais binários entre cerca de 2 e 5 massas solares. É um grande quebra-cabeça para a astronomia moderna encontrar essa população perdida de objetos. (CENTRO DE VÔO ESPACIAL GODDARD DA NASA)

Uma lacuna astronômica de longa data entre estrelas de nêutrons e buracos negros está finalmente chegando ao fim.

A astronomia nos levou tão longe no Universo, de além da Terra para os planetas, estrelas e até as galáxias muito além da nossa Via Láctea. Descobrimos objetos exóticos ao longo do caminho, de visitantes interestelares a planetas errantes, anãs brancas, estrelas de nêutrons e buracos negros.

Mas esses dois últimos são meio engraçados. Ambos normalmente se formam a partir do mesmo mecanismo: o colapso de uma estrela muito massiva que resulta em uma explosão de supernova. Mesmo que as estrelas venham em todas as massas diferentes, a estrela de nêutrons mais massiva tinha apenas cerca de 2 massas solares, enquanto o buraco negro menos massivo já tinha 5 massas solares, a partir de 2017. O que há com a lacuna, e existem buracos negros ou estrelas de nêutrons entre? Apoiador do Patreon Richard Jowsey aponta para um novo estudo e pergunta:

Este colapsar de baixa massa é bem na mente a fronteira da lacuna. Como podemos dizer se é uma estrela de nêutrons ou um buraco negro?

Vamos mergulhar no que os astrônomos chamam de diferença de massa e descobrir.

Os vários tipos de eventos aos quais o LIGO é conhecido por ser sensível assumem a forma de duas massas que se inspiram e se fundem. Sabemos que buracos negros acima de 5 massas solares são comuns, assim como estrelas de nêutrons abaixo de cerca de 2 massas solares. O intervalo intermediário é conhecido como diferença de massa, um quebra-cabeça para os astrônomos resolverem. (CHRISTOPHER BERRY / TWITTER)

Antes que as ondas gravitacionais surgissem, havia apenas duas maneiras que conhecíamos para detectar buracos negros.

1. Você pode encontrar um objeto emissor de luz, como uma estrela, que orbita uma grande massa que não emite luz de nenhum tipo. Com base na curva de luz do objeto luminoso e como ela mudou ao longo do tempo, você pode inferir gravitacionalmente a presença de um buraco negro.
2. Você pode encontrar um buraco negro que está coletando matéria de uma estrela companheira, uma massa em queda ou uma nuvem de gás que flui para dentro. À medida que o material se aproxima do horizonte de eventos do buraco negro, ele aquece, acelera e emite o que detectamos como radiação de raios-X.

O primeiro buraco negro já descoberto foi encontrado por este último método: Cygnus X-1 .

Os buracos negros não são objetos isolados no espaço, mas existem entre a matéria e a energia no Universo, galáxia e sistemas estelares onde residem. Eles crescem acumulando e devorando matéria e energia e, quando se alimentam ativamente, emitem raios X. Os sistemas de buracos negros binários que emitem raios X são como a maioria dos nossos buracos negros não supermassivos conhecidos foram descobertos. (COLABORAÇÃO DO TELESCÓPIO ESPACIAL HUBBLE DA NASA/ESA)

Desde essa primeira descoberta, há 55 anos, a população conhecida de buracos negros explodiu. Agora sabemos que os buracos negros supermassivos estão no centro da maioria das galáxias e se alimentam e devoram gás regularmente. Sabemos que existem buracos negros que provavelmente se originaram de explosões de supernovas, já que o número de buracos negros em sistemas binários emissores de raios-X é agora bastante grande.

Também sabemos que apenas uma fração dos buracos negros estão ativos a qualquer momento; a maioria deles provavelmente está quieta. Mesmo depois que o LIGO foi ativado, revelando buracos negros se fundindo com outros buracos negros, um fato intrigante permaneceu: o buraco negro de menor massa que já descobrimos tinha massas que eram pelo menos cinco vezes a massa do nosso Sol. Não havia buracos negros com três ou quatro massas solares de material. Por alguma razão, todos os buracos negros conhecidos estavam acima de algum limite de massa arbitrário.

A anatomia de uma estrela muito massiva ao longo de sua vida, culminando em uma Supernova Tipo II. No final de sua vida, se o núcleo for massivo o suficiente, a formação de um buraco negro é absolutamente inevitável. (NICOLE RAGER FULLER PARA A NSF)

Teoricamente, há desacordo sobre o que deveria estar lá no que diz respeito às massas dos buracos negros. De acordo com alguns modelos teóricos, há uma diferença fundamental entre os processos de supernova que acabam produzindo buracos negros e os que acabam produzindo estrelas de nêutrons. Embora ambos surjam de supernovas do Tipo II, quando os núcleos das estrelas progenitoras implodem, se você cruzar um limiar crítico (ou não) pode fazer toda a diferença.

Se estiver correto, cruzar esse limite e formar um horizonte de eventos poderia obrigar significativamente mais matéria a acabar no núcleo em colapso, contribuindo para o eventual buraco negro. A massa mínima do buraco negro no estado final pode ser muitas massas solares acima da massa da estrela de nêutrons mais pesada, que nunca forma um horizonte de eventos ou cruza esse limiar crítico.

Tipos de supernovas em função da massa inicial da estrela e do conteúdo inicial de elementos mais pesados ​​que o hélio (metalicidade). Observe que as primeiras estrelas ocupam a linha inferior do gráfico, sendo livres de metal, e que as áreas pretas correspondem a buracos negros de colapso direto. Para as estrelas modernas, não temos certeza se as supernovas que criam estrelas de nêutrons são fundamentalmente iguais ou diferentes daquelas que criam buracos negros, e se existe uma “lacuna de massa” presente entre elas na natureza. (FULVIO314 / WIKIMEDIA COMMONS)

Por outro lado, outros modelos teóricos não prevêem uma diferença fundamental entre os processos de supernova que criam ou não um horizonte de eventos. É perfeitamente possível, e um número significativo de teóricos chega a essa conclusão, que as supernovas acabem produzindo uma distribuição contínua de massas e que as estrelas de nêutrons sejam encontradas até um certo limite, seguidas imediatamente por buracos negros que saem sem folga de massa.

Até 2017, as observações pareciam favorecer uma lacuna de massa. A estrela de nêutrons mais massiva conhecida tinha cerca de 2 massas solares, enquanto o buraco negro menos massivo já visto (através de emissões de raios-X de um sistema binário) tinha cerca de 5 massas solares. Mas em agosto de 2017, aconteceu um evento que deu início a uma tremenda mudança na forma como pensamos sobre essa faixa de massa indescritível.

Nos momentos finais da fusão, duas estrelas de nêutrons não emitem apenas ondas gravitacionais, mas uma explosão catastrófica que ecoa em todo o espectro eletromagnético. Simultaneamente, gera uma enorme quantidade de elementos pesados ​​no extremo mais alto da tabela periódica. Após essa fusão, eles devem ter se estabelecido para formar um buraco negro, que mais tarde produziu jatos relativísticos colimados que romperam a matéria circundante. (UNIVERSIDADE DE WARWICK / MARK GARLICK)

Pela primeira vez, ocorreu um evento em que não apenas ondas gravitacionais foram detectadas, mas também emitiram luz. A mais de 100 milhões de anos-luz de distância, os cientistas observaram sinais de todo o espectro: raios gama a sinais visíveis até ondas de rádio. Eles indicaram algo que nunca tínhamos visto antes: duas estrelas de nêutrons se fundiram, criando um evento chamado kilonova. Essas quilonovas, acreditamos agora, são responsáveis ​​pela maioria dos elementos mais pesados ​​encontrados em todo o Universo.

Mas talvez o mais notável, das ondas gravitacionais que chegaram, conseguimos extrair uma enorme quantidade de informações sobre o processo de fusão. Duas estrelas de nêutrons se fundiram para formar um objeto que, ao que parece, inicialmente se formou como uma estrela de nêutrons antes, frações de segundo depois, colapsando para formar um buraco negro. Pela primeira vez, encontramos um objeto na faixa de diferença de massa e era, de fato, um buraco negro.

LIGO e Virgo descobriram a ponta de um iceberg incrível: uma nova população de buracos negros com massas que nunca haviam sido vistas antes apenas com estudos de raios-X (roxo). Este gráfico mostra as massas de todas as dez fusões de buracos negros binários confiantes detectadas pelo LIGO/Virgo (azul) no final da Corrida II, juntamente com a fusão de uma estrela de nêutrons-estrela de nêutrons vista (laranja) que criou o preto de menor massa buraco que já encontramos. (LIGO/VIRGEM/UNIV. NORDESTE/FRANK ELAVSKY)

No entanto, isso absolutamente não significa que não há diferença de massa. É eminentemente possível que as fusões de estrelas de nêutrons com estrelas de nêutrons frequentemente formem buracos negros se sua massa combinada estiver acima de um certo limite: entre 2,5 e 2,75 massas solares, dependendo da velocidade com que está girando.

Mas mesmo que isso seja verdade, ainda é possível que as estrelas de nêutrons produzidas por supernovas atinjam um certo limite e que os buracos negros produzidos por supernovas não apareçam até um limite significativamente mais alto. As únicas maneiras de determinar se esse tipo de diferença de massa é real seria:

• faça um grande censo de supernovas e remanescentes de supernovas e meça a distribuição de massa das estrelas de nêutrons centrais/buracos negros produzidos,
• ou para coletar dados superiores que realmente mediram a distribuição do objeto na chamada faixa de intervalo de massa e determinar se há um intervalo, um mergulho ou uma distribuição contínua.

Dentro um estudo lançado há dois meses , a lacuna fechou um pouco mais.

Em 2019, os cientistas estavam medindo os pulsos vindos de uma estrela de nêutrons e foram capazes de medir como uma anã branca em sua órbita atrasou os pulsos. A partir das observações, os cientistas determinaram que ela tinha uma massa de cerca de 2,2 massas solares: a estrela de nêutrons mais pesada vista até agora. (B. SAXTON, NRAO/AUI/NSF)

Ao encontrar uma estrela de nêutrons que comeu um pouco na faixa de diferença de massa, usando uma técnica envolvendo tempo de pulsar e física gravitacional, fomos capazes de confirmar que ainda temos estrelas de nêutrons abaixo do limiar previsto de 2,5 massa solar. A técnica orbital que funciona para buracos negros também funciona para estrelas de nêutrons e qualquer objeto massivo. Desde que haja alguma forma de luz ou sinal de onda gravitacional que você possa medir, os efeitos gravitacionais da massa podem ser inferidos.

Mas apenas cerca de seis semanas depois que essa história da estrela de nêutrons saiu, outra história ainda mais emocionante chegou ao noticiário . A cerca de 10.000 anos-luz de distância, bem em nossa própria galáxia, os cientistas fizeram observações precisas de uma estrela gigante, que se acredita ter algumas vezes a massa do nosso Sol. Sua órbita, de forma fascinante, mostrou que estava orbitando um objeto que não emitia radiação de nenhum tipo. A partir de sua gravidade, esse objeto tem cerca de 3,3 massas solares: solidamente na faixa de diferença de massa.

As curvas de cor e a velocidade radial da estrela gigante medida para orbitar uma companheira binária com um período de 83 dias. O companheiro não emite radiação de nenhum tipo, nem mesmo raios-X, sugerindo a natureza de um buraco negro. (TA THOMPSON ET AL. (2019), VOL. 366, EDIÇÃO 6465, PP. 637–640)

Não podemos ter certeza absoluta de que este objeto não é uma estrela de nêutrons, mas os campos magnéticos super fortes de estrelas de nêutrons silenciosas devem levar a emissões de raios-X que caem bem abaixo dos limites observados . Mesmo dadas as incertezas, que podem admitir uma massa tão baixa quanto cerca de 2,6 massas solares (ou tão alta quanto cerca de 5 massas solares), esse objeto é fortemente indicado como um buraco negro.

Isso apoia a ideia de que acima de 2,75 massas solares, não há mais estrelas de nêutrons: os objetos são todos buracos negros. Isso mostra que temos a capacidade de encontrar buracos negros que são menores em massa simplesmente por seus efeitos gravitacionais em quaisquer companheiros em órbita.

Estamos bastante confiantes de que este remanescente estelar é um buraco negro e não uma estrela de nêutrons. Mas e a grande questão? E a diferença de massa?

Embora praticamente todas as estrelas no céu noturno pareçam ser pontos únicos de luz, muitas delas são sistemas multi-estrelas, com aproximadamente 50% das estrelas que vimos ligadas a sistemas multi-estrelas. Castor é o sistema com mais estrelas dentro de 25 parsecs: é um sistema sêxtuplo. (NASA / JPL-CALTECH / CAETANO JULIO)

Por mais interessante que seja esse novo buraco negro, e provavelmente é um buraco negro, ele não pode nos dizer se há uma lacuna de massa, uma queda de massa ou uma distribuição direta de massas decorrentes de eventos de supernova. Cerca de 50% de todas as estrelas já descobertas existem como parte de um sistema multi-estrela , com aproximadamente 15% em sistemas encadernados contendo 3 a 6 estrelas . Como os sistemas multi-estrelas que vemos muitas vezes têm massas estelares semelhantes umas às outras, não há nada descartando que esse recém-descoberto buraco negro não tenha sua origem em um evento próprio de kilonova há muito tempo.

Então o próprio objeto? É quase certamente um buraco negro, e muito provavelmente tem uma massa que o coloca diretamente em uma faixa onde no máximo um outro buraco negro é conhecido. Mas a lacuna de massa é uma lacuna real ou apenas uma faixa em que nossos dados são deficientes? Isso exigirá mais dados, mais sistemas e mais buracos negros (e estrelas de nêutrons) de todas as massas antes que possamos dar uma resposta significativa.

Até encontrarmos uma população de buracos negros grande o suficiente para determinar com precisão sua distribuição de massa geral, não seremos capazes de descobrir se há uma lacuna de massa ou não. Buracos negros em sistemas binários podem ser nossa melhor aposta. (GETTY IMAGENS)

Envie suas perguntas Ask Ethan para beginwithabang no gmail ponto com !

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

Compartilhar: