Hubble e Chandra detetam tipo raro de buraco negro a devorar uma estrela

O Telescópio Espacial Hubble e o Observatório de raios X Chandra uniram-se para identificar um novo possível exemplo de uma classe rara de buracos negros. Com o nome NGC 6099 HLX-1, esta fonte brilhante de raios X parece residir num enxame estelar compacto situado numa galáxia elíptica gigante.

Imagem, obtida pelo Telescópio Espacial Hubble, de um par de galáxias: NGC 6099 (em baixo à esquerda) e NGC 6098 (em cima, para a direita do centro). A mancha roxa representa a emissão de raios X de um enxame estelar compacto. Os raios X são produzidos por um buraco negro de massa intermédia que está a destruir uma estrela. Crédito: ciência - NASA, ESA, CXC, Yi-Chi Chang (Universidade Nacional Tsing Hua); processamento de imagem - Joseph DePasquale (STScI)     

Apenas alguns anos após o seu lançamento em 1990, o Hubble descobriu que as galáxias em todo o Universo podem albergar buracos negros supermassivos nos seus centros, contendo milhões ou milhares de milhões de vezes a massa do nosso Sol. Além disso, as galáxias também contêm milhões de pequenos buracos negros com menos de 100 vezes a massa do Sol. Estes formam-se quando estrelas massivas chegam ao fim das suas vidas.

Muito mais elusivos são os buracos negros de massa intermédia, contendo algumas centenas a algumas centenas de milhares de vezes a massa do nosso Sol. Esta categoria de buracos negros, nem muito grandes nem muito pequenos, é muitas vezes invisível porque não devoram tanto gás e estrelas como os supermassivos, que emitem radiação poderosa. Para os encontrarmos, os buracos negros de massa intermédia precisam ser capturados a alimentarem-se. Quando ocasionalmente devoram uma infeliz estrela passageira - no que os astrónomos chamam de evento de perturbação de marés -, emitem uma grande quantidade de radiação.

O mais recente e provável buraco negro de massa intermédia, apanhado a alimentar-se, está localizado nos arredores da galáxia NGC 6099, a aproximadamente 40.000 anos-luz do centro da galáxia, conforme descrito num novo estudo publicado na revista The Astrophysical Journal. A galáxia está localizada a cerca de 450 milhões de anos-luz de distância, na direção da constelação de Hércules.

Os astrónomos viram pela primeira vez uma fonte invulgar de raios X numa imagem captada pelo Chandra em 2009. Em seguida, acompanharam a sua evolução com o observatório espacial XMM-Newton da ESA.

"Fontes de raios X com luminosidade tão extrema são raras fora dos núcleos galácticos e podem servir como uma sonda fundamental para identificar buracos negros elusivos de massa intermédia. Representam um elo crucial que faltava na evolução dos buracos negros entre os de massa estelar e os supermassivos", afirmou a autora principal Yi-Chi Chang, da Universidade Nacional Tsing Hua, em Hsinchu, Taiwan.

A emissão de raios X proveniente de NGC 6099 HLX-1 tem uma temperatura de 3 milhões Kelvin, consistente com um evento de perturbação de marés. O Hubble encontrou evidências de um pequeno enxame de estrelas em torno do buraco negro. Esse enxame daria ao buraco negro muito que devorar, porque as estrelas estão tão próximas umas das outras que apenas alguns meses-luz de distância as separa (cerca de 800 mil milhões de quilómetros). 

O suspeito buraco negro de massa intermédia atingiu o brilho máximo em 2012 e depois continuou a diminuir até 2023. As observações óticas e de raios X durante esse período não se sobrepõem, o que complica a interpretação. O buraco negro pode ter dilacerado uma estrela capturada, criando um disco de plasma que exibe variabilidade, ou pode ter formado um disco que cintila à medida que o gás cai em direção ao buraco negro.

"Se o buraco negro de massa intermédia está a devorar uma estrela, quanto tempo leva para engolir o seu gás? Em 2009, HLX-1 era razoavelmente brilhante. Em 2012, ficou cerca de 100 vezes mais brilhante. E depois diminuiu novamente", disse o coautor do estudo Roberto Soria, do INAF (Italian National Institute for Astrophysics). "Portanto, agora precisamos de esperar para ver se está a brilhar várias vezes, ou se houve um início, um pico e se agora vai diminuir até desaparecer".

O buraco negro de massa intermédia está localizado nos arredores da galáxia hospedeira, NGC 6099, a cerca de 40.000 anos-luz do centro da galáxia. Presume-se que exista um buraco negro supermassivo no núcleo da galáxia, que atualmente está inativo e não está a devorar nenhuma estrela.

Blocos de construção dos buracos negros

A equipa enfatiza que fazer um levantamento dos buracos negros de massa intermédia pode revelar como os maiores buracos negros supermassivos se formam. Existem duas teorias alternativas. Uma é que os buracos negros de massa intermédia são as sementes da formação de buracos negros ainda maiores, ao se fundirem, já que as grandes galáxias crescem ao absorver galáxias mais pequenas.

O buraco negro no centro de uma galáxia também cresce durante essas fusões. As observações do Hubble revelaram uma relação proporcional: quanto mais massiva a galáxia, maior o buraco negro. O quadro emergente com esta nova descoberta é que as galáxias podem ter "buracos negros de massa intermédia satélites" que orbitam no halo de uma galáxia, mas nem sempre caem para o centro.

Outra teoria é que as nuvens de gás no meio dos halos de matéria escura no início do Universo não formam estrelas primeiro, mas simplesmente colapsam diretamente num buraco negro supermassivo. A descoberta do Telescópio Espacial James Webb da NASA, de buracos negros muito distantes que são desproporcionalmente mais massivos em relação à sua galáxia hospedeira, tende a apoiar esta ideia.

No entanto, pode haver um viés observacional no que toca à deteção de buracos negros extremamente massivos no Universo distante, porque os de tamanho menor são demasiado fracos para serem vistos. Na realidade, pode haver mais variedade na forma como o nosso Universo dinâmico constrói buracos negros. Os buracos negros supermassivos que colapsam dentro de halos de matéria escura podem simplesmente crescer de uma forma diferente daqueles que vivem em galáxias anãs, onde a acreção dos buracos negros pode ser o mecanismo preferido de crescimento. 

"Portanto, se tivermos sorte, vamos encontrar mais buracos negros flutuantes que de repente se tornam brilhantes em raios X devido a um evento de perturbação de marés. Se pudermos fazer um estudo estatístico, isso dir-nos-á quantos destes buracos negros de massa intermédia existem, com que frequência perturbam uma estrela, como as galáxias maiores cresceram a partir de galáxias mais pequenas", disse Soria.

O desafio é que o Chandra e o XMM-Newton observam apenas uma pequena fração do céu, por isso não encontram frequentemente novos eventos de perturbação de marés nos quais os buracos negros consomem estrelas. O Observatório Vera C. Rubin, no Chile, um telescópio de observação de todo o céu, pode detetar esses eventos no visível a centenas de milhões de anos-luz de distância. Observações de acompanhamento com o Hubble e com o Webb podem revelar o enxame de estrelas em torno do buraco negro.

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