A Via Láctea esconde dezenas de milhares de buracos negros
Os buracos negros em si não são visíveis, mas as emissões no rádio e nos raios X da matéria fora deles podem nos indicar suas localizações e propriedades físicas. (J. Wise/Georgia Institute of Technology e J. Regan/Dublin City University)
E graças a uma nova técnica e conjunto de observações, achamos que sabemos exatamente onde encontrá-los.
No centro de praticamente todas as galáxias há um buraco negro supermassivo, onde milhões ou mesmo bilhões de massas solares de material se acumulam em um único local. Ao seu redor, no entanto, deve haver não apenas uma enorme quantidade de estrelas em movimento rápido, mas dezenas de milhares de buracos negros menores, formados a partir de cadáveres de estrelas massivas que deveriam ter existido nas proximidades do centro galáctico. Enquanto pesquisamos o espaço ao redor de Sagitário A*, a monstruosidade de quatro milhões de massa solar da nossa Via Láctea, encontramos as estrelas, poeira, gás e radiação eletromagnética que esperávamos em geral, com uma exceção: não evidência para esses buracos negros menores. Mais de dez mil eram esperados em uma região de apenas seis anos-luz de largura, centrada em Sagitário A*, mas nenhum foi encontrado. Até que um novo método inteligente foi colocado em uso, identificando uma dúzia deles apenas no ano passado. As implicações são que esses buracos negros estão realmente lá, e agora temos uma ideia de como encontrá-los.
Uma imagem composta de raios-X/infravermelho do buraco negro no centro da nossa galáxia: Sagitário A*. Tem uma massa de cerca de quatro milhões de sóis e é encontrado cercado por gás quente emissor de raios-X, estrelas e potencialmente muitos milhares de buracos negros menores. (Raio-X: NASA/UMass/ D. Wang et al., IR: NASA/STScI)
A região do espaço ao redor do buraco negro no centro de nossa galáxia está cheia de material que só pode ser visto fora do espectro de luz visível. Embora haja, sem dúvida, muitas fontes estelares que emitem luz, a poeira que preenche o plano de nossa Via Láctea é mais do que suficiente para bloquear praticamente toda a luz que viajaria os 25.000 anos-luz necessários para atingir nossos olhos. Mas em comprimentos de onda mais longos, a luz infravermelha e de rádio pode passar, revelando a presença de estrelas e gás, enquanto em comprimentos de onda mais curtos, os raios-X podem nos fornecer enormes quantidades de informações sobre as fontes energéticas e os eventos que ocorrem lá.
Uma visão de vários comprimentos de onda do centro galáctico mostra estrelas, gás, radiação e buracos negros, entre outras fontes. Mas a luz proveniente de todas essas fontes, desde raios gama até luz visível e rádio, só pode indicar o que nossos instrumentos são sensíveis o suficiente para detectar a mais de 25.000 anos-luz de distância. (NASA/ESA/SSC/CXC/STScI)
Quando examinamos o ambiente em torno de Sagitário A*, visualizamos um grande número de estrelas orbitando o buraco negro central, bem como erupções ocasionais à medida que o buraco negro devora vários aglomerados de matéria. Pelo que observamos, podemos inferir como é o espaço naquela região do espaço: cheio de matéria, capaz de formar estrelas ativamente e rico em elementos pesados. O gás e a poeira presentes são o ambiente perfeito para a formação estelar ativa, e é isso que nossas melhores teorias preveem que deveria estar lá. As estrelas que se formam lá devem ser em grande número, devem ter uma grande variedade de massas e devem produzir um grande número de supernovas, estrelas de nêutrons e buracos negros. É aí que obtemos as estimativas de que, dentro de um raio de cerca de 3 anos-luz de Sagitário A*, deve haver algo nas proximidades de 10.000 a 20.000 buracos negros.
Uma grande quantidade de estrelas foi detectada perto do buraco negro supermassivo no núcleo da Via Láctea. Além dessas estrelas e do gás e poeira que encontramos, prevemos que existam mais de 10.000 buracos negros em apenas alguns anos-luz de Sagitário A*, mas detectá-los provou ser difícil até agora. (S. Sakai / A. Ghez / W.M. Keck Observatory / UCLA Galactic Center Group)
No entanto, apesar dessa previsão, temos muita dificuldade em ver esses buracos negros. Há uma boa razão para isso: a maioria deles é muito difícil de observar, pois não emite nenhuma radiação à qual seríamos sensíveis. Para buracos negros isolados que são a única estrela em seu sistema, não há uma boa maneira de detectá-los. Mas para buracos negros que estão em sistemas binários, onde uma estrela e um buraco negro orbitam um ao outro, há uma maneira inteligente de procurá-los: procure uma explosão brilhante de raios-X que esses sistemas podem criar. De acordo com o astrofísico Chuck Hailey :
É uma maneira óbvia de querer procurar buracos negros. Mas o Centro Galáctico está tão longe da Terra que essas explosões são fortes e brilhantes o suficiente para serem vistas uma vez a cada 100 a 1.000 anos.
Como não tivemos sorte, precisaríamos de um novo método.
Um buraco negro é famoso por absorver matéria e ter um horizonte de eventos do qual nada pode escapar, mas fora do horizonte de eventos, raios-X podem ser emitidos. Isso pode ser na forma de grandes erupções, mas também pode ser na forma de emissão constante e relativamente silenciosa de se alimentar lentamente de seu vizinho. (Raio-X: NASA/CXC/UNH/D.Lin et al, Óptico: CFHT, Ilustração: NASA/CXC/M.Weiss)
Foi aí que a equipe de Hailey veio em socorro. Em vez de procurar um sistema binário com uma estrela e um buraco negro em um estado ativo e em chamas, eles reconheceram que você poderia procurar a emissão de raios-X muito menor (mas ainda presente) que deveria existir quando esses sistemas estavam inativos. Hailey continuou:
Seria tão fácil se os binários de buracos negros emitissem rotineiramente grandes explosões como os binários de estrelas de nêutrons, mas não o fazem, então tivemos que encontrar outra maneira de procurá-los ... quando os buracos negros acasalam com uma estrela de baixa massa, o casamento emite rajadas de raios X que são mais fracas, mas consistentes e detectáveis.
Levaria muito tempo observando o centro galáctico no raio-X para ver tal efeito, e não há como, sem um alvo claro, que tal proposta seja aprovada. Mas a equipe de Hailey tinha um trunfo: esses dados já existiam, graças ao observatório de raios-X Chandra.
O buraco negro supermassivo da nossa galáxia testemunhou algumas explosões incrivelmente brilhantes, mas nenhuma foi tão brilhante ou duradoura quanto XJ1500 + 0134. Devido a eventos como este e muitos outros, existe uma grande quantidade de dados do Chandra, ao longo de um período de 19 anos, do centro galáctico. (NASA/CXC/Stanford/I. Zhuravleva et al.)
Chandra tem observado o centro galáctico, de vez em quando, por quase 19 anos. Ao olhar para o conjunto completo de dados de arquivo, eles conseguiram fazer uma descoberta incrível: as assinaturas de raios-X de sistemas binários inativos, bastante buracos negros/estrelas, apareceram 12 vezes independentes. Considerando que só descobrimos cerca de 60 buracos negros na Via Láctea até agora, isso representa um grande aumento, mas há muito, muito mais. Esses 12 sistemas de buracos negros/estrelas estavam todos a 3 anos-luz de Sagitário A*, e sua existência nos permite fazer algo ainda mais poderoso: inferir o número total de buracos negros que existem nesta região. Com base nos dados coletados , deve haver algo entre 300 e 500 binários de buraco negro/estrela nesta região, e aproximadamente 10.000 buracos negros isolados nesta mesma vizinhança.
Nos centros das galáxias, existem estrelas, gás, poeira e (como sabemos agora) buracos negros, todos orbitando e interagindo com a presença supermassiva central na galáxia. (ESO/MPE/Marc Schartmann)
Esta é uma descoberta tremenda, e algo que só poderíamos realizar dentro de nossa própria Via Láctea. Saber que existem cerca de 10.000 buracos negros nos arredores de nosso próprio buraco negro supermassivo nos permite inferir o que está acontecendo no centro de cada galáxia com um buraco negro supermassivo: milhares e milhares de buracos negros regulares estão em órbita. Na década de 2030, a Agência Espacial Européia lançará a Antena Espacial de Interferômetro a Laser (LISA), um detector de ondas gravitacionais baseado no espaço e com braços muito mais longos. Ao contrário dos sistemas apertados, de baixa massa e de curto período aos quais o LIGO é sensível, o LISA será, pela primeira vez, capaz de detectar as inspirações de longo período e fusões de buracos negros normais em torno dos supermassivos nos centros das galáxias.
Nos últimos 2 anos, ondas gravitacionais foram detectadas na Terra, da fusão de estrelas de nêutrons e da fusão de buracos negros. Ao construir um observatório de ondas gravitacionais no espaço, podemos alcançar as sensibilidades necessárias para prever quando ocorrerá uma fusão envolvendo um buraco negro supermassivo. (ESA / NASA e a colaboração LISA)
Este estudo é de enorme importância, pois nos fornece a primeira evidência real do que o LISA estará procurando, motivando-nos ainda mais a procurar esses eventos que, como sabemos agora, devem existir. Ao contrário dos buracos negros do LIGO, esses eventos inspiradores nos darão semanas, meses ou até anos de antecedência, permitindo-nos identificar exatamente onde e quando precisaremos olhar para ver essas fusões. Esta é a primeira confirmação da teoria de que dezenas de milhares de buracos negros deveriam existir em torno de supermassivos nos centros das galáxias e nos permite prever melhor quantos eventos de ondas gravitacionais provavelmente veremos vindo deles.
Todas as informações que precisamos aprender sobre isso existem nos centros das galáxias, incluindo a nossa. Pela primeira vez, podemos ter certeza de que os buracos negros não são simplesmente raridades cósmicas, mas existem em enorme abundância em todas as galáxias do Universo.
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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