Como o telescópio espacial romano da NASA descobrirá buracos negros solitários

 Esta ilustração mostra o conceito de microlente gravitacional com um buraco negro. Quando um buraco negro passa quase em frente de uma estrela mais distante, pode agir como lente que amplia a luz estelar. Crédito: Centro de Voo Espacial Goddard da NASA/CIB

O Telescópio Espacial Nancy Grace Roman da NASA fornecerá uma janela sem precedentes para o universo infravermelho quando for lançado em meados da década de 2020. Uma das pesquisas planejadas da missão usará uma peculiaridade da gravidade para revelar milhares de novos planetas além do nosso sistema solar. A mesma pesquisa também fornecerá a melhor oportunidade de detectar definitivamente pela primeira vez pequenos buracos negros solitários. Formados quando uma estrela com mais de 20 massas solares esgota o combustível nuclear em seu núcleo e colapsa com seu próprio peso, esses objetos são conhecidos como buracos negros de massa estelar. 

Os buracos negros têm uma gravidade tão poderosa que nem mesmo a luz consegue escapar de suas garras. Como eles são invisíveis, só podemos encontrar buracos negros indiretamente, vendo como eles afetam seus arredores. Os buracos negros supermassivos encontrados no centro das galáxias, que contêm milhões de vezes a massa do Sol, interrompem as órbitas das estrelas próximas e ocasionalmente as separam com consequências visíveis. 

Mas os astrônomos acham que a grande maioria dos buracos negros de massa estelar, que são muito mais leves, não tem nada ao seu redor que possa nos alertar de sua presença. Roman encontrará planetas em toda a nossa galáxia observando como sua gravidade distorce a luz das estrelas distantes e, como os buracos negros de massa estelar produzem os mesmos efeitos, a missão também deve ser capaz de encontrá-los.

“Os astrônomos identificaram cerca de 20 buracos negros de massa estelar até agora na Via Láctea, mas todos eles têm um companheiro que podemos ver”, disse Kailash Sahu, astrônomo do Space Telescope Science Institute em Baltimore. “Muitos cientistas, inclusive eu, passaram anos tentando encontrar buracos negros por conta própria usando outros telescópios. É empolgante que com Roman, finalmente será possível. ” 

Fazendo um buraco negro

As estrelas parecem faróis eternos, mas cada uma nasce com um suprimento limitado de combustível. As estrelas passam a maior parte de suas vidas transformando hidrogênio em seus centros em hélio, o que cria uma enorme quantidade de energia. Esse processo, chamado de fusão nuclear, é como uma explosão controlada - um jogo de cabo de guerra perfeitamente equilibrado entre a pressão externa e a gravidade. 

Mas, à medida que o combustível de uma estrela se esgota e a fusão desacelera, a gravidade assume o controle e o núcleo da estrela se contrai. Essa pressão interna aquece o núcleo e desencadeia uma nova rodada de fusão, que produz tanta energia que as camadas externas da estrela se expandem. A estrela aumenta de tamanho, sua superfície esfria e ela se torna uma gigante vermelha ou supergigante. 

O tipo de cadáver estelar que é deixado para trás depende da massa da estrela. Quando uma estrela semelhante ao Sol fica sem combustível, ela eventualmente ejeta suas camadas externas, e apenas um pequeno núcleo quente chamado anã branca permanece. A anã branca desaparecerá com o tempo, como as brasas agonizantes de uma fogueira que antes rugia. Nosso Sol tem cerca de cinco bilhões de anos restantes de combustível. 

Estrelas mais massivas esquentam mais, então gastam seu combustível mais rápido. Acima de cerca de oito vezes a massa do Sol, a maioria das estrelas está condenada a morrer em explosões cataclísmicas chamadas supernovas antes de se tornarem buracos negros. Nas massas mais altas, as estrelas podem pular a explosão e colapsar diretamente em buracos negros .

 Os núcleos dessas estrelas massivas colapsam até que seus prótons e elétrons se esmaguem para formar nêutrons. Se o núcleo remanescente pesar menos do que cerca de três massas solares, o colapso para aí, deixando para trás uma estrela de nêutrons. Para núcleos remanescentes maiores, mesmo os nêutrons não podem suportar a pressão e o colapso continua a formar um buraco negro. 

Milhões de estrelas massivas passaram por esse processo e agora se escondem em toda a galáxia como buracos negros. Os astrônomos acham que deveria haver cerca de 100 milhões de buracos negros de massa estelar em nossa galáxia, mas só fomos capazes de encontrá-los quando afetaram visivelmente os arredores. Os astrônomos podem inferir a presença de um buraco negro quando discos de acreção quentes e brilhantes se formam ao redor deles ou quando eles localizam estrelas orbitando um objeto massivo, mas invisível. 

“Roman vai revolucionar nossa busca por buracos negros porque vai nos ajudar a encontrá-los mesmo quando não há nada por perto”, disse Sahu. “A galáxia deveria estar repleta desses objetos.” 

Vendo o invisível

Roman usará principalmente uma técnica chamada microlente gravitacional para descobrir planetas além do nosso sistema solar. Quando um objeto massivo, como uma estrela, cruza na frente de uma estrela mais distante de nosso ponto de vista, a luz da estrela mais distante se curva enquanto viaja através do espaço-tempo curvo ao redor da estrela mais próxima. 

O resultado é que a estrela mais próxima atua como uma lente natural, ampliando a luz da estrela de fundo. Os planetas orbitando a estrela da lente podem produzir um efeito semelhante em uma escala menor. 

Além de fazer com que uma estrela de fundo brilhe, um objeto de lente mais massivo pode deformar tanto o espaço-tempo que altera visivelmente a localização aparente da estrela distante no céu. Essa mudança de posição, chamada microlente astrométrica, é extremamente pequena - apenas cerca de um miliarcsegundo. É como distinguir um movimento tão pequeno quanto a largura de um quarto no topo do Empire State Building em Nova York, todo o caminho desde Los Angeles. Usando a resolução espacial requintada de Roman para detectar um movimento aparente tão minúsculo - o sinal revelador de um buraco negro massivo - os astrônomos serão capazes de restringir a massa, distância e movimento do buraco negro através da galáxia. 

Os sinais de microlente são tão raros que os astrônomos precisam monitorar centenas de milhões de estrelas por longos períodos para capturá-los. Os observatórios devem ser capazes de rastrear a posição e o brilho da estrela de fundo com extrema precisão - algo que só pode ser feito acima da atmosfera da Terra. A localização de Roman no espaço e o enorme campo de visão nos fornecerão a melhor oportunidade de investigar a população de buracos negros de nossa galáxia. 

“Os buracos negros de massa estelar que descobrimos em sistemas binários têm propriedades estranhas em comparação com o que esperamos”, disse Sahu. “Eles são todos cerca de 10 vezes mais massivos do que o Sol, mas achamos que deveriam abranger uma faixa muito mais ampla entre três e 80 massas solares. Ao realizar um censo desses objetos, Roman nos ajudará a entender mais sobre o estertor da morte das estrelas. ” 

Fonte: NASA