As “sementes” dos buracos negros, desaparecidas do jardim cósmico

NASA

No vasto jardim do Universo, os buracos negros mais pesados cresceram a partir de sementes. Alimentados pelo gás e poeira que consumiram, ou pela fusão com outros objetos densos, estas sementes cresceram em tamanho e massa para formar os centros das galáxias como a nossa Via Láctea.

Mas, ao contrário do reino das plantas, as sementes dos buracos negros gigantes devem ter sido buracos negros também. E ninguém encontrou estas sementes – ainda.

Uma ideia é que os buracos negros supermassivos – o equivalente em massa a centenas de milhares a milhares de milhões de sóis – cresceram a partir de uma população de buracos negros mais pequenos que nunca foram vistos. Este grupo elusivo, os “buracos negros de massa intermédia”, teriam entre 100 e 100.000 vezes a massa da nossa estrela-mãe. Entre as centenas de buracos negros encontrados até agora, existem muitos relativamente pequenos, mas nenhum com certeza no “deserto” intermédio da gama de massas.

Os cientistas estão a trabalhar com poderosos telescópios espaciais da NASA, além de outros observatórios, para rastrear objetos distantes que se encaixam na descrição destas entidades exóticas. Já encontraram dezenas de possíveis candidatos e estão a trabalhar para confirmá-los como buracos negros. Mas, mesmo que o façam, isto abre um novo mistério: como é que os buracos negros de massa intermédia se formaram?

“O que é fascinante, e a razão de se gastar tanto tempo a encontrar estes buracos negros de massa intermédia, é porque lançam luz sobre os processos que aconteceram no início do Universo, sobre as massas destes buracos negros relíquias, e sobre novos mecanismos de formação de buracos negros que ainda não conhecemos,” disse Fiona Harrison, professora de física no Caltech em Pasadena, no estado norte-americano da Califórnia, e investigadora principal da missão NuSTAR da NASA.

Os buracos negros

Um buraco negro é um objeto extremamente denso no espaço, do qual nenhuma luz consegue escapar. Quando o material cai num buraco negro, não tem como sair. E quanto mais um buraco negro come, mais cresce em massa e tamanho.

Os buracos negros mais pequenos são chamados de “massa estelar”, entre 1 e 100 vezes a massa do Sol. Formam-se quando as estrelas explodem em processos violentos chamados supernovas.

Os buracos negros supermassivos, por outro lado, são as âncoras centrais de galáxias grandes – por exemplo, o nosso Sol e todas as outras estrelas da Via Láctea orbitam um buraco negro chamado Sagitário A* com aproximadamente 4,1 milhões de massas solares. Um buraco negro ainda mais massivo – com uns incríveis 6,5 mil milhões de vezes a massa do Sol – serve como peça central da galáxia Messier 87 (M87).

O buraco negro supermassivo de M87 aparece na famosa imagem do EHT (Event Horizon Telescope), mostrando um buraco negro e a sua “sombra” pela primeira vez. Esta sombra é provocada pelo horizonte de eventos, o ponto de não retorno do buraco negro, curvando e capturando a luz com a sua forte gravidade.

Os buracos negros supermassivos tendem a ter discos de material em seu redor chamados “discos de acreção”, feitos de partículas extremamente quentes e altamente energéticas que brilham à medida que se aproximam do horizonte de eventos – a região de não retorno do buraco negro. Aqueles que fazem os seus discos brilhar intensamente, porque comem muito, são chamados “núcleos galácticos ativos”.

A densidade de matéria necessária para criar um buraco negro é incompreensível. Para fazer um buraco negro com 50 vezes a massa do Sol, precisaríamos de colocar o equivalente a 50 sóis numa bola com menos de 300 km de diâmetro. Mas, no caso do buraco negro supermassivo de M87, é como se 6,5 mil milhões de sóis fossem comprimidos numa bola maior que a órbita de Plutão.

Em ambos os casos, a densidade é tão alta que o material original deve desmoronar numa singularidade – um rasgo no tecido do espaço-tempo.

A chave para o mistério das origens dos buracos negros é o limite físico de quão depressa podem crescer. Até os monstros gigantes nos centros das galáxias têm limites para os seus frenesins alimentícios, porque uma certa quantidade de material é repelido pela radiação altamente energética proveniente de partículas quentes perto do horizonte de eventos. Só a comer material circundante, um buraco negro de baixa massa pode duplicar a sua massa em 30 milhões de anos, por exemplo.

“Se começarmos com uma massa de 50 sóis, não podemos simplesmente aumentá-la para mil milhões ao longo de mil milhões de anos,” disse Igor Chilingarian, astrofísico do Observatório Astrofísico do Smithsonian, em Cambridge, Massachusetts, e da Universidade Estatal de Moscovo. Mas, “como sabemos, existem buracos negros supermassivos menos de mil milhões de anos após a formação do Universo.”

Como fazer um buraco negro que não podemos ver

No início da história do Universo, a semente de um buraco negro de massa intermédia pode ter sido formada a partir do colapso de uma grande nuvem de densa de gás ou de uma explosão de supernova. As primeiras estrelas que explodiram no Universo tinham hidrogénio e hélio puros nas suas camadas exteriores, com elementos mais pesados concentrados no núcleo.

Esta é uma receita para um buraco negro muito mais massivo do que as estrelas explosivas modernas, que estão “poluídas” com elementos pesados nas suas camadas exteriores e, portanto, perdem mais massa através dos seus ventos estelares.

“Se estamos a formar buracos negros com 100 massas solares no início do Universo, alguns deles devem fundir-se, mas então basicamente devíamos produzir uma gama completa de massas, e alguns deles ainda devem andar por aí,” comentou Tod Strohmayer, astrofísico do Centro de Voo Espacial Goddard da NASA, Greenbelt, Maryland. “Então, onde é que estão, se realmente se formaram?”

Uma pista de que os buracos negros de massa intermédia ainda podem realmente estar por aí veio do LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) da NSF, uma colaboração entre o Caltech e o MIT (Massachusetts Institute of Technology). Os detetores do LIGO, em combinação com uma instalação europeia chamada Virgo, estão a encontrar muitas fusões diferentes de buracos negros através de ondulações no espaço-tempo chamadas ondas gravitacionais.

Em 2016, o LIGO anunciou uma das descobertas científicas mais importantes dos últimos 50 anos: a primeira deteção de ondas gravitacionais. Especificamente, os detetores localizados em Livingston, Louisiana, e Hanford, Washington, captaram o sinal de dois buracos negros em fusão. As massas destes buracos negros – 29 e 36 vezes a massa do Sol, respetivamente – surpreenderam os cientistas. Embora estes ainda não sejam tecnicamente de massa intermédia, são grandes o suficiente para levantar sobrancelhas.

É possível que todos os buracos negros de massa intermédia já se tenham fundido, mas também que a tecnologia não tenha sido aperfeiçoada para os localizar.

Então, onde é que estão?

É complicado procurar buracos negros no “deserto” da massa intermédia 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, dado que o fluxo de matéria para um buraco negro não é constante, a massa agregada de material consumido provoca certas variações na emissão de luz no ambiente.

Tais mudanças podem ser vistas mais rapidamente em buracos negros mais pequenos do que em buracos negros maiores. “Numa escala de horas, podemos fazer a campanha observacional que, para os núcleos galácticos ativos, leva meses,” disse Chilingarian.

O candidato mais promissor a buraco negro de massa intermédia tem o nome HLX-1, com uma massa de cerca de 20.000 vezes a do Sol. HLX-1 significa “Hyper-Luminous X-ray source 1” e a sua produção energética é muito maior que a de estrelas parecidas com o Sol. Foi descoberto em 2009 pelo astrónomo australiano Sean Farrell, usando o telescópio espacial XMM-Newton da ESA.

Um estudo de 2012, usando os telescópios espaciais Hubble e Swift da NASA, encontrou sugestões de um enxame de jovens estrelas azuis em órbita deste objeto. Pode ter sido o centro de uma galáxia anã engolida pela galáxia maior ESO 243-49. Muitos cientistas consideram HLX-1 um buraco negro de massa intermédia já provado, disse Harrison.

“As cores da luz de raios-X que emite, e o modo como se comporta, são muito semelhantes a um buraco negro,” acrescentou Harrison. “Muitas pessoas, incluindo o meu grupo, têm programas para encontrar coisas que se parecem com HLX-1, mas até agora nenhum é consistente. Mas a caça continua.”

Objetos menos brilhantes que podem ser buracos negros de massa intermédia são chamadas fontes de raios-X ultraluminosas, ou ULXs (“ultraluminous X-ray sources”). Uma ULX cintilante chamada NGC 5048 X-1 tem sido especialmente interessante para os cientistas que procuram buracos negros de massa intermédia. Mas os observatórios de raios-X NuSTAR e Chandra da NASA surpreenderam os cientistas ao revelar que muitas ULXs não são buracos negros – são pulsares, remanescentes estelares extremamente densos que parecem pulsar como faróis.

M82 X-1, a fonte de raios-X mais brilhante na galáxia M82, é outro objeto muito brilhante que parece piscar em escalas de tempo consistentes com um buraco negro de massa intermédia. Estas mudanças no brilho estão ligadas com a massa do buraco negro e são provocadas por material em órbita perto da região interior do disco de acreção. Um estudo de 2014 analisou variações específicas na luz de raios-X e estimou que M82 X-1 tem uma massa equivalente a 400 sóis. Os cientistas usaram dados de arquivo do satélite RXTE (Rossi X-ray Timing Explorer) da NASA para estudar estas variações de brilho em raios-X.

Mais recentemente, os cientistas investigaram um grupo maior de possíveis buracos negros de massa intermédia. Em 2018, Chilingarian e colegas descreveram uma amostra de 10 candidatos reanalisando dados óticos do SDSS (Sloan Digital Sky Survey) e comparando as perspetivas iniciais com dados de raios-X do Chandra e do XMM-Newton.

Agora estão a utilizar telescópios terrestres no Chile e no Arizona. Mar Mezcua do Instituto de Ciências Espaciais da Espanha liderou um estudo separado em 2018, também com o Chandra, encontrando 40 buracos negros crescentes em galáxias anãs que podem estar nesta faixa especial de massa intermédia. Mas Mezcua e colaboradores argumentam que estes buracos negros se formaram originalmente no colapso de nuvens gigantes, não em explosões estelares.

O que aí vem

As galáxias anãs são lugares interessantes para continuar esta procura porque, em teoria, sistemas estelares mais pequenos podem hospedar buracos negros de massa muito menor do que os encontrados nos centros de galáxias maiores como a nossa.

Os cientistas também estão a procurá-los em enxames globulares – concentrações esféricas de estrelas localizadas nos arredores da Via Láctea e de outras galáxias – pela mesma razão. “Podem lá haver buracos negros desta categoria, em galáxias desta categoria, mas se não estiverem a acretar muita matéria, poderá ser difícil observá-los,” disse.

Os caçadores de buracos negros de massa intermédia aguardam ansiosamente o lançamento do Telescópio Espacial James Webb da NASA, que estudará as primeiras galáxias da Universo. O Webb vai ajudar os astrónomos a descobrir o que surgiu primeiro – a galáxia ou o seu buraco negro central – e como esse buraco negro pode ter sido produzido. Em combinação com observações de raios-X, os dados infravermelhos do Webb serão importantes para identificar alguns dos candidatos mais antigos a buraco negro.

Outra nova ferramenta lançada em julho pela agência espacial russa Roscosmos chama-se Spectrum X-Gamma, uma espaçonave que varre o céu em raios-X e transporta um instrumento com espelhos desenvolvidos e contruídos em parceria com o Centro de Voo Espacial Marshall da NASA, em Huntsville, estado norte-americano do Alabama. As informações de ondas gravitacionais da colaboração LIGO-Virgo também vão ajudar na busca, assim como a missão planeada LISA (Laser Interferometer Space Antenna) da ESA.

Esta frota de novos instrumentos e tecnologias, além das atuais, vai ajudar os astrónomos à medida que continuam a vasculhar o jardim cósmico em busca das sementes de buracos negros e galáxias como a nossa.

// CCVAlg

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