Hubble determina massa de buraco negro isolado em nossa Via Láctea

Os astrônomos estimam que 100 milhões de buracos negros vagam entre as estrelas da Via Láctea, mas nunca identificaram conclusivamente um buraco negro isolado. Após seis anos de observações meticulosas, o Telescópio Espacial Hubble da NASA/ESA forneceu, pela primeira vez, evidências diretas de um buraco negro solitário à deriva no espaço interestelar por uma medição precisa da massa do objeto fantasma.

Esta é a impressão de um artista de um buraco negro à deriva em nossa galáxia Via Láctea. O buraco negro é o remanescente esmagado de uma estrela massiva que explodiu como uma supernova. Crédito: ESA/Hubble

Até agora, todas as massas de buracos negros foram inferidas estatisticamente ou por meio de interações em sistemas binários ou nos núcleos de galáxias. Buracos negros de massa estelar são geralmente encontrados com estrelas companheiras, tornando este incomum. O buraco negro errante recém-detectado fica a cerca de 5.000 anos-luz de distância, no braço espiral Carina-Sagitário da nossa galáxia. No entanto, sua descoberta permite que os astrônomos estimem que o buraco negro de massa estelar isolado mais próximo da Terra pode estar a cerca de 80 anos-luz de distância. A estrela mais próxima do nosso sistema solar, Proxima Centauri, está a pouco mais de 4 anos-luz de distância. 

Os buracos negros que vagam pela nossa galáxia nascem de estrelas raras e monstruosas (menos de um milésimo da população estelar da galáxia) que são pelo menos 20 vezes mais massivas que o nosso Sol. Essas estrelas explodem como supernovas, e o núcleo remanescente é esmagado pela gravidade em um buraco negro. Como a auto-detonação não é perfeitamente simétrica, o buraco negro pode dar um chute e se deslocar pela nossa galáxia como uma bala de canhão explodida.

 Os telescópios não podem fotografar um buraco negro rebelde porque ele não emite luz. No entanto, um buraco negro distorce o espaço, que então desvia e amplifica a luz das estrelas de qualquer coisa que momentaneamente se alinha exatamente atrás dele. Telescópios terrestres, que monitoram o brilho de milhões de estrelas nos ricos campos estelares em direção ao bojo central da nossa Via Láctea, procuram um brilho repentino revelador de um deles quando um objeto massivo passa entre nós e a estrela. Em seguida, o Hubble acompanha os eventos mais interessantes. 

Duas equipes usaram dados do Hubble em suas investigações – uma liderada por Kailash Sahu do Space Telescope Science Institute em Baltimore, Maryland; e o outro por Casey Lam da Universidade da Califórnia, Berkeley. Os resultados das equipes diferem um pouco, mas ambos sugerem a presença de um objeto compacto.

 A deformação do espaço devido à gravidade de um objeto em primeiro plano que passa na frente de uma estrela localizada muito atrás dela irá momentaneamente dobrar e amplificar a luz da estrela de fundo à medida que ela passa na frente dela. Os astrônomos usam o fenômeno, chamado microlente gravitacional, para estudar estrelas e exoplanetas nos aproximadamente 30.000 eventos vistos até agora dentro de nossa galáxia. 

A assinatura de um buraco negro em primeiro plano se destaca como única entre outros eventos de microlente. A gravidade muito intensa do buraco negro prolongará a duração do evento de lente por mais de 200 dias. Além disso, se o objeto interveniente fosse uma estrela em primeiro plano, isso causaria uma mudança de cor transitória na luz da estrela medida porque a luz das estrelas de primeiro plano e de fundo seriam momentaneamente misturadas. Mas nenhuma mudança de cor foi vista no evento do buraco negro. 

Em seguida, o Hubble foi usado para medir a quantidade de deflexão da imagem da estrela de fundo pelo buraco negro. O Hubble é capaz da extraordinária precisão necessária para tais medições. A imagem da estrela foi deslocada de onde normalmente estaria em cerca de um milissegundo de arco. Isso é equivalente a medir a altura de um humano adulto deitado na superfície da lua da Terra. 

Essa técnica de microlente astrométrica forneceu informações sobre a massa, distância e velocidade do buraco negro. A quantidade de deflexão pela intensa deformação do espaço do buraco negro permitiu à equipe de Sahu estimar que ele pesa sete massas solares. 

A equipe de Lam relata uma faixa de massa ligeiramente menor, o que significa que o objeto pode ser uma estrela de nêutrons ou um buraco negro. Eles estimam que a massa do objeto compacto invisível está entre 1,6 e 4,4 vezes a do Sol. Na extremidade superior dessa faixa, o objeto seria um buraco negro; na extremidade inferior, seria uma estrela de nêutrons. 

" Por mais que queiramos dizer que é definitivamente um buraco negro, devemos relatar todas as soluções permitidas. Isso inclui tanto buracos negros de menor massa quanto possivelmente até uma estrela de nêutrons ", disse Jessica Lu, da equipe de Berkeley.  Seja o que for, o objeto é o primeiro remanescente estelar escuro descoberto vagando pela galáxia, desacompanhado de outra estrela”, acrescentou Lam. 

Esta foi uma medição particularmente difícil para a equipe porque há outra estrela brilhante que está extremamente próxima em separação angular da estrela de origem. “ Então é como tentar medir o pequeno movimento de um vaga-lume ao lado de uma lâmpada brilhante ”, disse Sahu. “ Tivemos que subtrair meticulosamente a luz da estrela brilhante próxima para medir com precisão a deflexão da fonte fraca. ” 

A equipe de Sahu estima que o buraco negro isolado está viajando pela galáxia a 160.000 quilômetros por hora (rápido o suficiente para viajar da Terra à Lua em menos de três horas). Isso é mais rápido do que a maioria das outras estrelas vizinhas nessa região da nossa galáxia. 

“ A microlente astrométrica é conceitualmente simples, mas observacionalmente muito difícil ”, disse Sahu. “ A microlente é a única técnica disponível para identificar buracos negros isolados. ” Quando o buraco negro passou na frente de uma estrela de fundo localizada a 19.000 anos-luz de distância no bojo galáctico, a luz estelar que vinha em direção à Terra foi amplificada por uma duração de 270 dias à medida que o buraco negro passava. No entanto, foram necessários vários anos de observações do Hubble para seguir como a posição da estrela de fundo parecia ser desviada pela curvatura da luz pelo buraco negro em primeiro plano. 

A existência de buracos negros de massa estelar é conhecida desde o início dos anos 1970, mas todas as suas medições de massa – até agora – foram em sistemas estelares binários. O gás da estrela companheira cai no buraco negro e é aquecido a temperaturas tão altas que emite raios-X. Cerca de duas dúzias de buracos negros tiveram suas massas medidas em binários de raios-X através de seu efeito gravitacional em seus companheiros. As estimativas de massa variam de 5 a 20 massas solares. Buracos negros detectados em outras galáxias por ondas gravitacionais de fusões entre buracos negros e objetos companheiros chegaram a 90 massas solares. 

“ As detecções de buracos negros isolados fornecerão novos insights sobre a população desses objetos na Via Láctea ”, disse Sahu. Ele espera que seu programa descubra mais buracos negros de roaming livre dentro de nossa galáxia. Mas é uma busca de agulha no palheiro. A previsão é que apenas um em algumas centenas de eventos de microlentes seja causado por buracos negros isolados. 

Em seu artigo de 1916 sobre a relatividade geral, Albert Einstein previu que sua teoria poderia ser testada observando o deslocamento na posição aparente de uma estrela de fundo causada pela gravidade do Sol. Isso foi testado por uma colaboração liderada pelos astrônomos Arthur Eddington e Frank Dyson durante um eclipse solar em 29 de maio de 1919. Eddington e seus colegas mediram uma estrela de fundo sendo compensada por 2 segundos de arco, validando as teorias de Einstein. Esses cientistas dificilmente poderiam imaginar que, mais de um século depois, essa mesma técnica seria usada – com uma melhoria de mil vezes inimaginável na precisão – para procurar buracos negros em nossa galáxia.

Fonte: esahubble.org