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| Concepção artística de um dos buracos negros supermassivos mais primitivos conhecidos (ponto preto central) no centro de uma galáxia jovem e rica em estrelas. Crédito: NASA / JPL-Caltech |
No vasto jardim do Universo, os buracos negros mais pesados cresceram a partir de sementes. Alimentadas pelo gás e poeira que consumiram, ou pela fusão com outros objetos densos, essas sementes cresceram em tamanho e peso para formar os centros das galáxias, como a nossa Via Láctea. Mas, diferentemente do reino das plantas, as sementes de buracos negros gigantes devem ter sido buracos negros também. E ninguém nunca encontrou essas sementes - ainda.
Uma ideia é que buracos negros supermassivos - o equivalente a centenas de milhares a bilhões de sóis em massa - cresceram a partir de uma população de buracos negros menores que nunca foram vistos. Esse grupo esquivo, os "buracos negros de massa intermediária", pesaria algo entre 100 e 100.000 sóis. Entre as centenas de buracos negros encontrados até agora, existem muitos relativamente pequenos, mas nenhum com certeza é intermediário nessa faixa de massa.
Os cientistas estão trabalhando com poderosos telescópios espaciais da NASA, além de outros observatórios, para rastrear objetos distantes que se encaixem na descrição dessas entidades exóticas. Eles encontraram dezenas de possíveis candidatos e estão trabalhando para confirmá-los. Mas mesmo que o façam, isso abre um novo mistério: como se formaram os buracos negros de massa intermediária?
"O por que os astrônomos gastam tanto tempo tentando encontrar esses buracos negros de massa intermediária é porque eles lançam luz sobre processos que aconteceram no universo primitivo", disse Fiona Harrison, professora de física de Caltech em Pasadena, Califórnia, e principal pesquisadora da missão NuSTAR da NASA.
Um buraco negro é um objeto extremamente denso no espaço, do qual nenhuma luz pode escapar. Quando o material cai em um buraco negro, ele não tem saída. E quanto mais um buraco negro se alimenta, mais cresce em massa e tamanho.
Os menores buracos negros são chamados de buracos negros de "massa estelar", com massa de 1 e 100 vezes a do Sol. Eles se formam quando as estrelas explodem em processos violentos chamados supernovas.
Os buracos negros supermassivos, por outro lado, são as âncoras centrais de grandes galáxias - por exemplo, nosso sol e todas as outras estrelas da Via Láctea orbitam um buraco negro chamado Sagitário A *, que pesa cerca de 4,1 milhões de massas solares. Um buraco negro ainda mais pesado - com incríveis 6,5 bilhões de massas solares - serve como peça central da galáxia Messier 87 (M87). O buraco negro supermassivo de M87 aparece na famosa imagem do Event Horizon Telescope, mostrando um buraco negro e sua "sombra" pela primeira vez. Essa sombra é causada pelo horizonte de eventos, o ponto de não retorno do buraco negro, curvando e capturando a luz com sua forte gravidade.
Buracos negros supermassivos tendem a ter discos de material ao seu redor, chamados "discos de acreção", feitos de partículas extremamente quentes e de alta energia que brilham quando se aproximam do horizonte de eventos. Aqueles que fazem seus discos brilharem intensamente porque se alimentam muito são chamados de "núcleos galácticos ativos".
A densidade de matéria necessária para criar um buraco negro é incompreensível. Para fazer um buraco negro 50 vezes a massa do Sol, você teria que colocar o equivalente a 50 sóis em uma esfera com menos de 300 quilômetros de diâmetro. Mas, no caso da peça central de M87, é como se 6,5 bilhões de sóis fossem comprimidos em uma esfera mais larga que a órbita de Plutão.
A chave para o mistério das origens dos buracos negros é o limite físico de quão rápido eles podem crescer. Até mesmo os monstros gigantes nos centros das galáxias têm limitações em suas vontades frenéticas por alimentação, porque uma certa quantidade de material é repelida pela radiação de alta energia proveniente de partículas quentes aceleradas perto do horizonte de eventos. Apenas se alimentando do material circundante, um buraco negro de baixa massa pode apenas dobrar sua massa em 30 milhões de anos, por exemplo.
"Se você começa com uma massa de 50 massas solares, você simplesmente não pode aumentá-lo para 1 bilhão de massas solares ao longo de 1 bilhão de anos", disse Igor Chilingarian, astrofísico do Observatório Astrofísico Smithsonian em Cambridge, Massachusetts e Universidade Estadual de Moscou. Mas "como sabemos, existem buracos negros supermassivos que começaram sua existência a menos de 1 bilhão de anos após a formação do Universo".
No início da história do Universo, a semente de um buraco negro de massa intermediária poderia ter se formado a partir do colapso de uma grande nuvem densa de gás ou de uma explosão de supernova. As primeiras estrelas que explodiram em nosso universo tinham hidrogênio e hélio puro em suas camadas externas, com elementos mais pesados concentrados no núcleo. Esta é uma receita para um buraco negro muito mais massivo do que explodir estrelas modernas, que são "poluídas" com elementos pesados em suas camadas externas e, portanto, perdem mais massa com seus ventos estelares.
"Se buracos negros com 100 massas solares se formaram no início do Universo, alguns deles devem ter se fundido, mas basicamente o Universo deve ter criado uma gama muito grande deles, e alguns deles ainda devem estar por aí", disse Tod Strohmayer , astrofísico do Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Maryland. "Então, onde estão eles?"
Uma pista de que buracos negros de massa intermediária ainda poderiam estar lá fora veio do Observatório de Ondas Gravitacionais a Laser (LIGO). Os detectores LIGO, combinados com uma instalação europeia na Itália chamada Virgo, estão detectando muitas fusões diferentes de buracos negros através de ondulações no espaço-tempo chamadas ondas gravitacionais.
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| Esta imagem, tirada com o Very Large Telescope do Observatório Europeu do Sul, mostra a região central da galáxia NGC1313. Esta galáxia abriga a fonte ultraluminosa de raios X NCG1313X-1, que os astrônomos determinaram ser um candidato a buraco negro de massa intermediária. A NGC1313 tem 50.000 anos-luz de diâmetro e fica a cerca de 14 milhões de anos-luz da Via Láctea, na constelação sul do Retículo. Crédito: ESO |
Em 2016, o LIGO anunciou uma das descobertas científicas mais importantes do último meio século: a primeira detecção de ondas gravitacionais. Especificamente, os detectores localizados em Livingston, Louisiana, e Hanford, Washington, captaram o sinal de dois buracos negros se fundindo. As massas desses buracos negros - 29 e 36 vezes a massa do Sol, respectivamente - surpreenderam os cientistas. Embora estas ainda não sejam tecnicamente de massa intermediária, elas são grandes o suficiente para levantar as sobrancelhas.
É possível que todos os buracos negros de massa intermediária já tenham se fundido, mas também que a tecnologia não tenha sido aperfeiçoada para localizá-los.
Então, onde eles estão?
Procurar buracos negros de massa intermediária é complicado, porque os próprios buracos negros não emitem luz. No entanto, os cientistas podem procurar sinais indicadores específicos usando telescópios sofisticados e outros instrumentos. Por exemplo, como o fluxo de matéria para um buraco negro não é constante, a massa de material consumido causa certas variações na emissão de luz no ambiente. Tais mudanças podem ser vistas mais rapidamente em buracos negros menores do que em buracos maiores.
"Em uma escala de horas, você pode fazer a campanha de observação que, para os núcleos galácticos ativos clássicos, leva meses", disse Chilingarian.
O candidato mais promissor de um buraco negro de massa intermediária é chamado HLX-1, com uma massa de cerca de 20.000 vezes a do Sol. HLX-1 significa "Fonte de raios X hiper-luminosa 1" e sua produção de energia é muito maior do que as estrelas semelhantes ao Sol. Foi descoberta em 2009 pelo astrônomo australiano Sean Farrell, usando o telescópio espacial XMM-Newton da Agência Espacial Europeia. Um estudo de 2012 usando os telescópios espaciais Hubble e Swift da NASA encontrou sugestões de um aglomerado de jovens estrelas azuis que orbitam esse objeto. Pode ter sido o centro de uma galáxia anã que foi engolida pela galáxia maior ESO 243-49. Muitos cientistas consideram o HLX-1 um buraco negro comprovado de massa intermediária, disse Harrison.
"As cores da luz de raios X que emite e da maneira como se comporta são muito semelhantes a um buraco negro", disse Harrison. "Muitas pessoas, incluindo o meu grupo, têm programas para encontrar coisas que se parecem com o HLX-1, mas até agora nenhuma foi consistente. Mas a caçada continua".
Objetos menos brilhantes que podem ser buracos negros de massa intermediária são chamados de fontes de raios X ultraluminosas ou ULXs. Um ULX cintilante chamado NGC 5408 X-1 tem sido especialmente intrigante para os cientistas que procuram buracos negros de massa intermediária. Mas os observatórios de raios-X NuSTAR e Chandra da NASA surpreenderam os cientistas ao revelar que muitos objetos ULX não são buracos negros. Em vez disso, são pulsares - remanescentes estelares extremamente densos que parecem pulsar como faróis.
M82 X-1, a fonte de raios-X mais brilhante da galáxia M82, é outro objeto muito brilhante que parece piscar em escalas de tempo consistentes com um buraco negro de massa intermediária. Essas mudanças no brilho estão relacionadas à massa do buraco negro e são causadas pelo material em órbita próximo à região interna do disco de acreção. Um estudo de 2014 analisou variações específicas na luz de raios-X e estimou que o M82 X-1 tem uma massa de cerca de 400 sóis. Os cientistas usaram dados de arquivo do satélite Rossi RXTE (RXTE) da NASA para estudar essas variações de brilho.
Mais recentemente, os cientistas investigaram um grupo maior de possíveis buracos negros de massa intermediária. Em 2018, Chilingarian e colegas descreveram uma amostra de 10 candidatos analisando novamente os dados ópticos do Sloan Digital Sky Survey e comparando as perspectivas iniciais com os dados de raios X de Chandra e XMM-Newton. Agora eles estão sendo acompanhados por telescópios terrestres no Chile e no Arizona. Mar Mezcua, do Instituto de Ciências Espaciais da Espanha, liderou um estudo separado em 2018, também usando dados do Chandra, encontrando 40 buracos negros crescentes em galáxias anãs que poderiam estar nessa faixa especial de massa intermediária. Mas Mezcua e colaboradores argumentam que esses buracos negros se formaram originalmente no colapso de nuvens gigantes, em vez de se originarem em explosões estelares.
Qual é o próximo
Galáxias anãs são lugares interessantes para procurar, porque, em teoria, sistemas estelares menores podem hospedar buracos negros de massa muito menor do que os encontrados nos centros de galáxias maiores como a nossa.
Os cientistas também estão pesquisando aglomerados globulares - concentrações esféricas de estrelas localizadas nos arredores da Via Láctea e outras galáxias - pelo mesmo motivo.
"Pode haver buracos negros assim, nessas galáxias, mas se eles não estiverem acumulando muita matéria, pode ser difícil vê-los", disse Strohmayer.
Caçadores de buracos negros de massa intermediária aguardam ansiosamente o lançamento do Telescópio Espacial James Webb, da NASA, que pesquisará o início das primeiras galáxias. Webb ajudará os astrônomos a descobrir o que veio primeiro - a galáxia ou seu buraco negro central - e como esse buraco negro pode ter sido montado. Em combinação com observações de raios-X, os dados infravermelhos de Webb serão importantes para identificar alguns dos candidatos mais antigos a buracos negros.
Outra nova ferramenta lançada em julho pela agência espacial russa Roscosmos se chama Spectrum X-Gamma, uma espaçonave que escaneia o céu em raios-X e carrega um instrumento com espelhos desenvolvidos e construídos com a Marshall Space Flight Center da NASA em Huntsville, Alabama . As informações das ondas gravitacionais provenientes da colaboração LIGO-Virgo também ajudarão na busca, assim como a missão planejada da Antena Espacial a Laser (LISA) da Agência Espacial Europeia.
Essa frota de novos instrumentos e tecnologias, além dos atuais, ajudará os astrônomos à medida que continuam vasculhando o jardim cósmico em busca de sementes de buracos negros e galáxias como a nossa.
Fonte: PHYS.ORG
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