O observatório espacial Gaia da ESA descobre uma nova família de buracos negros

https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Gaia/Gaia_discovers_a_new_family_of_black_holes
A localização dos dois primeiros buracos negros descobertos pela missão Gaia da ESA na Via Láctea. Este mapa da nossa galáxia também foi feito pela missão Gaia. Gaia-BH1 (Black Hole 1) está localizado a ‘apenas’ 1.560 anos-luz de distância de nós na direção da constelação de Ophiuchus e Gaia-BH2 (Black Hole 2) está a 3.800 anos-luz de distância na constelação de Centaurus. Em termos galácticos, esses buracos negros residem em nosso ‘quintal cósmico’.

Usando dados da missão Gaia da ESA, os astrônomos descobriram não apenas o buraco negro mais próximo, mas também o segundo mais próximo da Terra. Os buracos negros, Gaia BH1 e Gaia BH2, estão localizados respectivamente a apenas 1.560 anos-luz de distância de nós na direção da constelação de Ophiuchus e a 3.800 anos-luz de distância na constelação de Centaurus. Em termos galácticos, esses buracos negros residem em nosso quintal cósmico.

Os dois buracos negros foram descobertos estudando o movimento de suas estrelas companheiras. Uma estranha ‘oscilação’ no movimento das estrelas no céu indicou que elas estão orbitando um objeto muito massivo. Em ambos os casos, os objetos são aproximadamente dez vezes mais massivos que o nosso Sol. Outras explicações para esses companheiros massivos, como sistemas de estrelas duplas, foram descartadas, pois não parecem emitir luz alguma.

https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Gaia/Gaia_discovers_a_new_family_of_black_holes
Figura 1. Comparação entre Gaia-BH1 (em negro) com buracos negros de massa estelar conhecidos. Escala: M(massas solares) versus Porb (período orbital) em dias [M = (1,98847±0,00007)×1030 kg]. Créditos: El-Badry et al. MNRAS 2022.

Até recentemente, todos os buracos negros que os astrônomos conheciam eram descobertos por emissão de luz – geralmente em comprimentos de onda de raios-X e rádio – produzida pela queda de material. Os novos buracos negros são realmente negros e só podem ser detectados por seus efeitos gravitacionais. A distância das estrelas ao buraco negro e as órbitas das estrelas ao seu redor são muito maiores do que para outros sistemas binários conhecidos de buracos negros e estrelas. Esses pares de estrela versus buraco negro próximos entre si, chamados binários de raios-X, tendem a ser muito brilhantes em raios-X e luz de rádio e, portanto, mais fáceis de encontrar. Mas as novas descobertas sugerem que os buracos negros em binários mais amplos são mais comuns.

Kareem El-Badry, descobridora dos novos buracos negros e pesquisadora do Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics nos EUA e do Max-Planck Institute for Astronomy, em Heidelberg, Alemanha, explicou:

O que diferencia esse novo grupo de buracos negros daqueles que já conhecíamos é sua ampla separação de suas estrelas companheiras. Esses buracos negros provavelmente têm uma história de formação completamente diferente dos binários de raios-X.

Este vídeo criado pela MPIA amplia a Via Láctea para a posição do buraco negro estelar “Gaia BH1”, atualmente o buraco negro mais próximo da Terra. Depois de chegar ao local, vemos a órbita de uma estrela semelhante ao Sol em torno de Gaia BH1. Créditos do vídeo: T. Müller (MPIA), PanSTARRS DR1 (K. C. Chambers et al. 2016), ESA/Gaia/DPAC (CC BY-SA 3.0 IGO)

Movimento de bilhões de estrelas

Os buracos negros foram descobertos usando dados do Gaia. Gaia mede com precisão as posições e movimentos de bilhões de estrelas. O movimento das estrelas contra o céu pode fornecer pistas essenciais sobre objetos que influenciam gravitacionalmente essas estrelas. Esses objetos podem incluir outras estrelas, exoplanetas, além de buracos negros.

Timo Prusti, cientista do projeto Gaia da ESA, declarou:

A precisão dos dados do Gaia foi essencial para esta descoberta. Os buracos negros foram encontrados observando a pequena oscilação de sua estrela companheira enquanto orbitava em torno dela. Nenhum outro instrumento é capaz de tais medições.

O Gaia forneceu medições precisas do movimento em três direções, mas para entender com mais precisão como as estrelas se afastaram e se aproximaram de nós, foram necessárias medições adicionais de velocidade radial. Observatórios terrestres forneceram isso para os buracos negros recém-descobertos, e isso deu a pista final para concluir que os astrônomos haviam detectado buracos negros.

Buracos negros invisíveis

Os buracos negros muitas vezes não são completamente invisíveis. Quando o material cai sobre eles, eles podem emitir rádio e raios-X. Para o segundo buraco negro de Gaia, o Observatório de raios-X Chandra da NASA e o radiotelescópio sul-africano MeerKAT no solo procuraram por essa radiação, mas não conseguiram detectar nenhum sinal.

Yvette Cendes que ajudou a descobrir o segundo buraco negro e é astrônoma do ‘Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics’ nos EUA, explicou:

Embora não tenhamos detectado radiação, essa informação é incrivelmente valiosa porque nos diz muito sobre o ambiente ao redor de um buraco negro. Há muitas partículas saindo da estrela companheira na forma de vento estelar. Mas como não vimos nenhuma luz de rádio, isso nos diz que o buraco negro não está se alimentando em grande escala e que não há muitas partículas cruzando seu horizonte de eventos. Não sabemos por que isso acontece, mas queremos descobrir!

Yvette Cendes
Animação: A observação de uma estrela é afetada quando uma companheira está presente. Esta animação mostra primeiro o movimento projetado do céu combinado devido à paralaxe e ao movimento próprio e, em seguida, o movimento resultante quando o movimento do fotocentro devido a um companheiro é adicionado. Créditos: ESA/Gaia/DPAC – CC BY-SA 3.0 IGO, agradecimentos: Johannes Sahlmann (RHEA Group for ESA) que fez uso de https://github.com/ManimCommunity/manim

Esses buracos negros que não emitem radiação, tornam-se praticamente invisíveis, provavelmente por estarem muito mais distantes de suas estrelas companheiras. Gaia BH1 e Gaia BH2 têm as órbitas mais amplamente separadas de todos os buracos negros conhecidos. O fato de serem também os buracos negros conhecidos mais próximos da Terra sugere que muitos outros buracos negros semelhantes em binários com objetos afastados ainda estão esperando para serem descobertos.

Isso é intrigante pois agora implica que esses buracos negros em órbitas amplas são realmente comuns no espaço – mais comuns do que binários onde o buraco negro e a estrela estão mais próximos. Mas o problema é detectá-los. A boa notícia é que o Gaia ainda está coletando informações, e seu próximo lançamento de dados (em 2025) conterá muito mais dessas estrelas com companheiros misteriosos de buracos negros.

Yvette Cendes

O próximo lançamento de dados do Gaia será baseado em 66 meses de observações e conterá informações aprimoradas sobre as órbitas das estrelas. Enquanto isso, os astrônomos estarão ocupados tentando descobrir de onde vêm esses buracos negros em órbitas amplas.

Kareem El-Badry apontou:

Suspeitamos que poderia haver buracos negros em sistemas mais amplos, mas não tínhamos certeza de como eles teriam se formado. A descoberta deles significa que devemos adaptar nossas teorias sobre a evolução dos sistemas estelares binários, pois ainda não está claro como esses sistemas se formam.

Kareem El-Badry
https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Gaia/Gaia_discovers_a_new_family_of_black_holes
A ‘oscilação’ das estrelas no céu é causada pela atração gravitacional de outras estrelas, exoplanetas ou buracos negros. Nesta imagem, o objeto atraente é um exoplaneta.

O membro da equipe Tsevi Mazeh, Universidade de Tel Aviv, afirmou:

O Consórcio de Análise e Processamento de Dados do Gaia está desenvolvendo métodos para identificar binários via astrometria com companheiros compactos. Esperamos fornecer uma boa amostra de candidatos no próximo lançamento de dados do Gaia.

Tsevi Mazeh

A comunidade científica espera expandir ainda mais essa nova população de buracos negros adormecidos.

O artigo científico intitulado  “A red giant orbiting a black hole” assinado por Kareem El-Badry et al., foi publicado em the Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS) https://academic.oup.com/mnras/article-abstract/521/3/4323/7093135.

Observatório espacial GAIA descobre Buracos Negros por astrometria. Crédito: ESA

Notas

[1] Gaia é um observatório espacial da Agência Espacial Europeia (ESA), lançado em 2013 e com previsão de operação até 2025. A espaçonave foi projetada para astrometria: medir as posições, distâncias e movimentos das estrelas com precisão sem precedentes, e as posições dos exoplanetas medindo atributos sobre as estrelas que eles orbitam, como sua magnitude aparente e cor. A missão visa construir de longe o maior e mais preciso catálogo espacial 3D já feito, totalizando aproximadamente 1 bilhão de objetos astronômicos, principalmente estrelas, mas também planetas, cometas, asteroides e quasares, entre outros.

Para estudar a posição e o movimento precisos de seus objetos-alvo, a espaçonave monitorou cada um deles cerca de 70 vezes durante os cinco anos da missão nominal (2014–2019) e continua a fazê-lo durante sua sua missão estendida. A espaçonave tem combustível de micropropulsão suficiente para operar até o segundo trimestre de 2025. Como seus detectores não estão degradando tão rápido quanto inicialmente esperado, a missão pode ser estendida ainda mais. Gaia tem como alvo objetos com magnitude superior a 20 em uma ampla banda fotométrica que cobre o alcance visual estendido entre o ultravioleta próximo e o infravermelho próximo. Tais objetos representam aproximadamente 1% da população da Via Láctea. Além disso, espera-se que Gaia detecte de milhares a dezenas de milhares de exoplanetas do tamanho de Júpiter além do Sistema Solar usando o método de astrometria, 500.000 quasares fora desta galáxia e dezenas de milhares de asteroides e cometas conhecidos e novos dentro o Sistema Solar.

A missão Gaia continua a criar um mapa tridimensional preciso de objetos astronômicos em toda a Via Láctea e mapear seus movimentos, que codificam a origem e a subsequente evolução da Via Láctea. As medições espectrofotométricas fornecem propriedades físicas detalhadas de todas as estrelas observadas, caracterizando sua luminosidade, temperatura efetiva, gravidade e composição elementar. Este massivo censo estelar está fornecendo os dados observacionais básicos para analisar uma ampla gama de questões importantes relacionadas à origem, estrutura e história evolutiva da Via Láctea.

Projetado como o sucessor da missão Hipparcos (operacional 1989–1993), Gaia faz parte do programa científico de longo prazo Horizon 2000+ da ESA. Gaia foi lançado em 19 de dezembro de 2013 pela Arianespace usando um foguete Soyuz ST-B/Fregat-MT voando de Kourou na Guiana Francesa. A espaçonave atualmente opera em uma órbita de Lissajous em torno do ponto Lagrangiano Sol-Terra L2.

https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Gaia/Gaia_discovers_a_new_family_of_black_holes
Impressão artística do satélite Gaia da ESA observando a Via Láctea. A imagem de fundo do céu é compilada a partir de dados de mais de 1,8 bilhão de estrelas. Ela mostra o brilho total e a cor das estrelas observadas por Gaia, lançadas como parte do ‘Gaia’s Early Data Release 3’ (Gaia EDR3) em dezembro de 2020. Crédito: ESA

[2] A astrometria é o método que detecta o movimento de uma estrela fazendo medições precisas de sua posição no céu. Essa técnica também pode ser usada para identificar planetas ao redor de uma estrela, medindo pequenas mudanças na posição da estrela conforme ela oscila em torno do centro de massa do sistema planetário.  A missão Gaia da ESA, através do seu levantamento sem precedentes de todo o céu da posição, brilho e movimento de mais de um bilhão de estrelas, está gerando um grande conjunto de dados a partir do qual os exoplanetas serão encontrados, seja através de mudanças observadas na posição de uma estrela no céu devido a planetas orbitando em torno dele, ou por uma queda em seu brilho quando um planeta transita em sua face.

Fontes

Gaia discovers a new family of black holes

“Image of the week: Gaia’s first black hole discovery: Gaia BH1” por Tineke Roegiers.

._._.

2302.07880-A-red-giant-orbiting-a-black-hole

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