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Pergunte a Ethan: Quantos buracos negros existem no Universo?

Embora tenhamos visto buracos negros se fundindo diretamente em três momentos separados no Universo, sabemos que existem muitos mais. Aqui é onde eles devem estar. Crédito da imagem: LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonnet).

Você sabe o que é um buraco negro, e encontramos alguns até agora. Mas oh, há sempre tantos mais lá fora!

Os buracos negros são os dragões sedutoras do universo, aparentemente ainda repouso violenta no coração, estranho, hostil, primitivo, emitindo um brilho negativa que atrai todos em direção a eles, devorando todos os que vêm perto demais ... estes estranhos monstros galácticos, para quem a criação é a destruição, a vida da morte, a fim caos. – Robert Coover

Pela terceira vez na história, detectamos diretamente uma assinatura inconfundível de buracos negros: ondas gravitacionais resultantes de sua fusão. Combine isso com o que sabemos de órbitas estelares ao redor do centro galáctico, observações de raios-X e rádio de outras galáxias e medições de queda/velocidade de gás, e a evidência de buracos negros em uma variedade de situações é inegável. Mas há informações suficientes, dessas e de outras fontes, para nos ensinar qual é realmente o número e a distribuição dos buracos negros no Universo? Esse é o tema do Ask Ethan desta semana, como John Methot pergunta:

O evento mais recente do LIGO me fez pensar em quão numerosos são os buracos negros, e isso me fez pensar como seria o céu se pudéssemos vê-los (e, para maior clareza, ver *apenas* buracos negros)… qual é o espaço e a intensidade distribuição de buracos negros comparou a distribuição de estrelas visíveis?

Seu primeiro instinto pode ser fazer observações diretas, e isso é um ótimo começo.

Um mapa da exposição de 7 milhões de segundos do Chandra Deep Field-South. Esta região mostra centenas de buracos negros supermassivos, cada um em uma galáxia muito além da nossa. Crédito da imagem: NASA/CXC/B. Luo et al., 2017, ApJS, 228, 2.

Nossa melhor telescópio de raios-X de tudo ainda é o observatório de raios-X Chandra. Da sua localização na órbita da Terra, é capaz de identificar até mesmo fótons individuais de fontes de raios-X distantes. Ao tomar uma imagem de profundidade de campo de uma região significativa do céu, ele foi capaz de identificar literalmente centenas de fontes pontuais de raios-X, cada um dos quais corresponde a uma galáxia distante além da nossa. Com base no espectro de energia dos fótons recebidos, o que estamos vendo é a evidência para buracos negros supermassivos no centro de cada galáxia.

Mas, por mais incrível que seja essa descoberta, há muito mais por aí do que apenas um enorme buraco negro por galáxia. Claro, cada galáxia, em média, tem pelo menos uma com milhões ou até bilhões de massas solares, mas há muito mais.

As massas de sistemas de buracos negros binários conhecidos, incluindo as três fusões verificadas e um candidato a fusão proveniente do LIGO. Crédito da imagem: LIGO/Caltech/Sonoma State (Aurore Simonnet).

LIGO apenas anunciou recentemente sua terceira detecção direta de um sinal de onda gravitacional robusto da fusão de buracos negros binários, nos ensinando que esses sistemas são comuns em todo o Universo. Não temos estatísticas suficientes para chegar a uma estimativa numérica, pois as barras de erro são muito grandes. Mas se você considerar o alcance atual do LIGO e o fato de encontrar um sinal uma vez a cada dois meses (em média), podemos dizer com segurança que existem pelo menos dezenas de sistemas como este em cada galáxia do tamanho da Via Láctea que podemos investigar.

O alcance do Advanced LIGO e sua capacidade de detectar buracos negros em fusão. Crédito da imagem: Colaboração LIGO / Amber Stuver / Richard Powell / Atlas of the Universe.

Além disso, nossos dados de raios-X nos mostram que também existem muitos binários de buracos negros de menor massa por aí; talvez uma quantidade significativa a mais do que esses de alta massa aos quais o LIGO é mais sensível. E isso sem contar os dados que apontam para a existência de buracos negros que não estão em sistemas binários apertados, que provavelmente serão a grande maioria. Se existem dezenas de binários de buracos negros de média a alta (10–100 massas solares) em nossa galáxia, existem centenas de binários de buracos negros de baixa (3–15 massas solares) e pelo menos milhares de binários isolados (não binários). ) buracos negros de massa estelar.

Com ênfase em pelo menos neste caso.

Porque os buracos negros são incrivelmente difíceis de detectar. Do jeito que está, só podemos ver realmente os mais ativos, os mais massivos e os mais extremamente situados. Os buracos negros que inspiram e se fundem são fantásticos, mas espera-se que essas configurações sejam cosmologicamente raras. Os que são vistos pelo Chandra são apenas os mais massivos e ativos, mas a maioria dos buracos negros não tem milhões a bilhões de massas solares, e a maioria dos que são tão grandes não estão ativos atualmente. Quando se trata dos buracos negros que realmente vemos, esperamos que eles sejam apenas uma pequena fração do que realmente existe, apesar de quão espetacular o que vemos realmente é.

O que percebemos como uma explosão de raios gama pode ter sua origem na fusão de estrelas de nêutrons, que expelem matéria no Universo, criando os elementos mais pesados conhecidos, mas também dar origem a um buraco negro no final. Crédito da imagem: NASA/JPL.

Mas temos uma maneira de chegar a uma estimativa de qualidade para o número e distribuição de buracos negros: sabemos como os buracos negros são formados . Sabemos como fazê-los a partir de estrelas jovens e massivas que se transformam em supernovas, de estrelas de nêutrons que se agregam ou se fundem e do colapso direto. E embora as assinaturas ópticas da criação de buracos negros sejam ambíguas, já vimos o suficiente de estrelas, morte estelar, eventos cataclísmicos e formação de estrelas ao longo da história do Universo para podermos encontrar exatamente os números que estamos procurando.

Um remanescente de supernova que surge de uma estrela massiva deixa um objeto colapsado para trás: um buraco negro ou uma estrela de nêutrons, a última das quais pode formar um buraco negro nas circunstâncias certas no futuro. Crédito da imagem: NASA / Observatório de Raios-X Chandra.

Essas três maneiras de fazer buracos negros estão todas enraizadas, se rastrearmos as coisas desde as regiões de formação de estrelas massivas. Para obter um:

1. Supernova, você precisa de uma estrela que tenha pelo menos 8 a 10 vezes a massa do Sol. Estrelas com mais de 20 a 40 massas solares lhe darão um buraco negro; estrelas menores que isso lhe darão uma estrela de nêutrons.
2. Fusão de estrelas de nêutrons ou acréscimo a um buraco negro, você precisa de duas estrelas de nêutrons inspirando ou colidindo aleatoriamente, ou uma estrela de nêutrons extraindo massa de uma estrela companheira para cruzar um limiar (cerca de 2,5-3 massas solares) para se tornar um buraco negro.
3. colapso direta buraco negro, você precisa de material suficiente em um lugar para formar uma estrela ~ 25 vezes a massa do certas circunstâncias Sun ou mais, e para obter um buraco negro diretamente (sem supernova) como resultado.

As fotos visíveis/próximas do IR do Hubble mostram uma estrela massiva, com cerca de 25 vezes a massa do Sol, que desapareceu, sem supernova ou outra explicação. O colapso direto é a única explicação razoável candidata. Crédito da imagem: NASA/ESA/C. Kochanek (OSU).

Na nossa vizinhança, podemos medir, de todas as estrelas que se formam, quantas delas têm a massa certa para potencialmente levar à formação de um buraco negro. O que descobrimos é que apenas cerca de 0,1 a 0,2% de todas as estrelas próximas têm massa suficiente para ter uma supernova, com a grande maioria formando estrelas de nêutrons. No entanto, cerca de metade dos sistemas que se formam são sistemas binários, e a maioria dos binários que encontramos tem estrelas de massas comparáveis ​​umas às outras. Em outras palavras, a maioria dos 400 bilhões de estrelas que se formaram em nossa galáxia nunca formarão um buraco negro.

O (moderno) sistema de classificação espectral Morgan-Keenan, com a faixa de temperatura de cada classe de estrelas mostrada acima, em kelvin. A esmagadora maioria (75%) das estrelas hoje são estrelas da classe M, com apenas 1 em 800 sendo massiva o suficiente para uma supernova. Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons LucasVB, acréscimos de E. Siegel.

Mas tudo bem, porque alguns deles vão. Mais importante, no entanto, é muito mais provável que o tenham feito, embora no passado distante. Sempre que você forma estrelas, obtém uma distribuição de suas massas: você obtém algumas estrelas de alta massa, muito mais estrelas de massa intermediária e um número muito grande de estrelas de baixa massa. É tão grave que a classe de estrelas de menor massa, as estrelas da classe M (anãs vermelhas), que têm apenas 8 a 40% da massa do Sol, compõem 3 de cada 4 estrelas em nossa vizinhança. Em muitos novos aglomerados de estrelas, você obtém apenas um punhado de estrelas de alta massa: as estrelas que podem se tornar supernovas. Mas no passado, a galáxia tinha regiões de formação de estrelas que eram muito maiores e ricas em massa do que as que a Via Láctea tem hoje.

O maior berçário estelar do grupo local, 30 Doradus na Nebulosa da Tarântula, tem as estrelas mais massivas até agora conhecidas pela humanidade. Centenas deles um dia (nos próximos milhões de anos) se tornarão buracos negros. Crédito da imagem: NASA, ESA, F. Paresce (INAF-IASF, Bolonha, Itália), R. O'Connell (Universidade da Virgínia, Charlottesville) e o Comitê de Supervisão Científica da Wide Field Camera 3.

Acima, você pode ver 30 Doradus, a maior região de formação de estrelas do grupo local, com uma massa de cerca de 400.000 sóis. Dentro desta região, existem milhares de estrelas quentes e muito azuis, das quais centenas provavelmente se tornarão supernovas. Em algum lugar entre 10-30% destes resultará em buracos negros, com o resto se tornando estrelas de nêutrons. Se considerarmos que:

• nossa galáxia teve muitas regiões como esta no passado,
• as maiores regiões de formação de estrelas foram concentradas ao longo dos braços espirais e em direção ao centro galáctico,
• e que onde vemos pulsares (remanescentes de estrelas de nêutrons) e fontes de raios gama hoje, provavelmente também existem buracos negros,

podemos chegar a um mapa e uma interpretação de onde estão os buracos negros.

O satélite Fermi da NASA construiu o mapa de alta energia e resolução mais alta do Universo já criado. O mapa dos buracos negros da galáxia provavelmente traçará as emissões vistas aqui com um pouco mais de dispersão e resolvida em milhões de fontes pontuais individuais. Crédito da imagem: Colaboração NASA/DOE/Fermi LAT.

Este é o mapa de todo o céu de Fermi de fontes pontuais de raios gama no céu. É muito parecido com o mapa estelar da nossa galáxia, exceto que destaca fortemente o disco galáctico. Além disso, as fontes mais antigas desaparecem dos raios gama, então essas são as fontes pontuais recém-formadas.

Comparado a este mapa, um mapa de buracos negros apareceria:

• Mais concentrado em direção ao centro galáctico,
• Ligeiramente mais disperso em largura,
• Contendo um bojo galáctico,
• E consistiria em algo em torno de 100 milhões de objetos, mais ou menos uma ordem de magnitude.

Se você criasse um híbrido do mapa Fermi (acima) e do mapa COBE (infravermelho) da galáxia, abaixo, você obteria uma imagem qualitativa de onde os buracos negros da nossa galáxia estavam localizados.

A galáxia vista no infravermelho do COBE. Embora este mapa mostre estrelas, os buracos negros seguirão uma distribuição semelhante, embora mais comprimidos no plano galáctico e mais centralizados em direção ao bojo. Crédito da imagem: NASA/COBE/DIRBE/GSFC.

Os buracos negros são reais, são comuns e a grande maioria deles é silenciosa e difícil de detectar hoje. O Universo existe há muito tempo e, embora vejamos um número muito grande de estrelas hoje, a maioria das estrelas de massa muito alta que já existiram – muito mais de 95% delas – morreram há muito tempo. Para onde eles foram? Cerca de um quarto deles se tornaram buracos negros, e os milhões e milhões de estrelas de muito tempo atrás que ainda espreitavam dentro de nossa galáxia, com a maioria das galáxias exibindo aproximadamente a mesma proporção que a nossa.

Um buraco negro com mais de um bilhão de vezes a massa do Sol alimenta o jato de raios X no centro de M87, mas talvez existam bilhões de outros buracos negros na galáxia. A densidade será preferencialmente agrupada em direção ao centro galáctico. Crédito da imagem: NASA/Hubble/Wikisky.

Galáxias elípticas terão seus buracos negros em um enxame elíptico, agrupados em torno do centro galáctico, semelhante a onde as estrelas são vistas. Muitos buracos negros migrarão, ao longo do tempo, para o poço gravitacional no centro de uma galáxia devido a um processo conhecido como segregação de massa, que é provavelmente como os buracos negros supermassivos se tornam tão supermassivos. Mas não temos evidências diretas para esse quadro completo no momento; até que tenhamos uma maneira de visualizar buracos negros silenciosos diretamente, nunca saberemos com certeza. Com base no que sabemos, no entanto, esta é a melhor imagem que podemos construir. É consistente, é convincente e todas as evidências indiretas apontam para que seja esse o caso.

A absorção da luz de comprimento de onda milimétrica emitida por elétrons zunindo em torno de poderosos campos magnéticos gerados pelo buraco negro supermassivo da galáxia leva à mancha escura no centro desta galáxia. A sombra indica que nuvens frias de gás molecular estão chovendo no buraco negro. Crédito da imagem: NASA/ESA & Hubble (azul), ALMA (vermelho).

Na ausência de imagens diretas, isso é o melhor que a ciência pode esperar fazer, e nos diz algo notável: para cada mil estrelas que vemos hoje, há aproximadamente um buraco negro, em média, também, preferencialmente aglomerado nas regiões mais densas. regiões do espaço. Essa é uma boa resposta para algo que é quase completamente invisível!

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

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