Os buracos negros são uma das forças mais impressionantes e misteriosas da natureza. Ao mesmo tempo, são fundamentais para a nossa compreensão da astrofísica. Os buracos negros não são apenas o resultado de estrelas particularmente massivas que se tornam supernovas no final de suas vidas, mas também são fundamentais para a nossa compreensão da Relatividade Geral e acredita-se que tenham desempenhado um papel na evolução cósmica.
Por causa disso, os astrônomos tentam diligentemente criar um censo de buracos negros na galáxia da Via Láctea há muitos anos. No entanto, novas pesquisas indicam que os astrônomos podem ter esquecido toda uma classe de buracos negros. Isso vem de uma descoberta recente, em que uma equipe de astrônomos observou um buraco negro com pouco mais de três massas solares, tornando-o o menor buraco negro descoberto até hoje.
O estudo, “Um buraco negro de baixa massa sem interações - sistema binário em estrela gigante”, apareceu recentemente na revista Ciência. A equipe responsável foi liderada por astrônomos da Ohio State University e incluiu membros do Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian, Observatórios da Instituição Carnegie para Ciência, Centro de Cosmologia das Trevas e vários observatórios e universidades.
A descoberta foi especialmente digna de nota porque identificou um objeto que os astrofísicos anteriormente não sabiam que existia. Como resultado, os cientistas agora são forçados a reconsiderar o que eles pensavam que sabiam sobre a população de buracos negros em nossa galáxia. Como Todd Thompson, professor de astronomia da Universidade Estadual de Ohio e principal autor do estudo, explicou:
"Estamos mostrando esta dica de que há outra população por aí que ainda precisamos investigar na busca por buracos negros. As pessoas estão tentando entender as explosões de supernovas, como as estrelas negras supermassivas explodem, como os elementos foram formados nas estrelas supermassivas. Portanto, se pudéssemos revelar uma nova população de buracos negros, isso nos diria mais sobre quais estrelas explodem, quais não, quais formam buracos negros, que formam estrelas de nêutrons. Abre uma nova área de estudo. ”
Devido à influência que exercem sobre o espaço e o tempo, os astrônomos têm procurado há muito tempo buracos negros e estrelas de nêutrons. Como também são os resultados quando as estrelas morrem, elas também podem fornecer informações sobre os ciclos de vida das estrelas e como os elementos são formados. Para fazer isso, os astrônomos primeiro precisam determinar onde os buracos negros estão localizados em nossa galáxia, o que exige que eles saibam o que procurar.
Uma maneira de encontrá-los é procurar sistemas binários, onde duas estrelas estão presas em órbita devido à sua gravidade mútua. Quando uma dessas estrelas sofre um colapso gravitacional próximo ao fim de sua vida, ela entra em colapso para formar uma estrela de nêutrons ou um buraco negro. Se a estrela companheira tiver atingido a fase de ramificação vermelha (RBP) de sua evolução, ela se expandirá consideravelmente.
Essa expansão fará com que o gigante vermelho fique sujeito ao seu buraco negro ou companheiro de estrela de nêutrons. Isso resultará em material sendo puxado da superfície do primeiro e consumido lentamente pelo segundo. Isso é evidenciado pelo calor e raios-X emitidos à medida que o material da estrela é agregado ao seu companheiro do buraco negro.
Até agora, todos os buracos negros em nossa galáxia identificados pelos astrônomos tinham entre cinco e quinze massas solares. As estrelas de nêutrons, por outro lado, geralmente não são maiores que cerca de 2,1 massas solares, uma vez que qualquer coisa maior que 2,5 massas solares entraria em colapso para formar um buraco negro. Quando o LIGO e o Virgo detectaram conjuntamente ondas gravitacionais causadas por uma fusão de buracos negros, eram 31 e 25 massas solares, respectivamente.
Isso demonstrou que os buracos negros poderiam ocorrer fora do que os astrônomos consideravam a faixa normal. Como Thompson disse:
"Imediatamente, todo mundo ficou tipo 'uau', porque foi uma coisa espetacular. Não apenas porque provou que o LIGO funcionava, mas porque as massas eram enormes. Buracos negros desse tamanho são um grande negócio - nós nunca os vimos antes. ”
Essa descoberta inspirou Thompson e seus colegas a considerar a possibilidade de haver objetos não descobertos que residiam entre as maiores estrelas de nêutrons e os menores buracos negros. Para investigar isso, eles começaram a combinar dados do Experimento de Evolução Galáctica do Apache Point Observatory (APOGEE) - uma pesquisa astronômica que coleta espectros de cerca de 100.000 estrelas em toda a galáxia.
Thompson e seus colegas examinaram esses espectros quanto a sinais de mudanças que indicariam se uma estrela poderia estar orbitando em torno de outro objeto. Especificamente, se uma estrela estivesse mostrando sinais de mudança no Doppler - onde seus espectros alternariam entre mudar para a extremidade mais azul e, em seguida, comprimentos de onda mais vermelhos - isso seria uma indicação de que poderia estar orbitando um companheiro invisível.
Este método é um dos meios mais eficazes e populares para determinar se uma estrela tem um sistema orbital de planetas. Quando os planetas orbitam uma estrela, eles exercem uma força gravitacional sobre ela, que faz com que ela se mova para frente e para trás. Esse mesmo tipo de mudança foi usado por Thompson e seus colegas para determinar se alguma das estrelas do APOGEE poderia estar orbitando um buraco negro.
Tudo começou com Thompson, estreitando os dados do APOGEE para 200 candidatos que provaram ser os mais interessantes. Ele então forneceu os dados a Tharindu Jayasinghe (um associado de pesquisa de pós-graduação no Estado de Ohio), que então usou os dados da Pesquisa Automatizada All-Sky para Supernovas (ASAS-SN) - que é administrada pela OSU e encontrou mais de 1.000 supernovas - para compilar milhares de imagens de cada candidato.
Isso revelou uma estrela vermelha gigante que parecia estar orbitando algo muito menor do que qualquer buraco negro conhecido, mas muito maior do que qualquer estrela de nêutrons conhecida. Depois de combinar os resultados com dados adicionais do espectrômetro Echelle Reflector de Tillinghast (TRES) e do satélite Gaia, eles perceberam que haviam encontrado um buraco negro com aproximadamente 3,3 vezes a massa do Sol.
Esse resultado não apenas confirma a existência de uma nova classe de buraco negro de baixa massa, mas também fornece um novo método para localizá-los. Como Thompson explicou:
"O que fizemos aqui foi criar uma nova maneira de procurar buracos negros, mas também identificamos potencialmente um dos primeiros de uma nova classe de buracos negros de baixa massa que os astrônomos não conheciam anteriormente. As massas de coisas nos dizem sobre sua formação e evolução, e elas nos dizem sobre sua natureza. ”
