Cientistas podem ter descoberto uma nova classe de buracos negros

A representação de um artista dos astrofísicos dos buracos negros identificados neste estudo. O buraco negro (canto inferior esquerdo) é visto perto de uma estrela gigante vermelha. A descoberta mostra que pode haver uma classe inteira de buracos negros que os astrônomos não sabiam que existiam. Crédito: Ohio State por Jason Shults

Os buracos negros são uma parte importante de como os astrofísicos entendem o universo, tão importante que os cientistas tentam construir um censo de todos os buracos negros em nossa galáxia, a Via Láctea.

Uma nova pesquisa publicada na Science mostra que suas buscas poderiam estar deixando de registrar neste censo uma classe inteira de buracos negros menores - bem menores dos que já se têm conhecimento - que os cientistas não sabiam que pudessem existir.

O professor de astronomia Todd Thompson, da Universidade Estadual de Ohio e principal autor do estudo, disse que “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.”

Os astrônomos há muito tempo procuram buracos negros, que têm atração gravitacional tão feroz que nada, nem a matéria, nem a radiação, podem escapar. Os buracos negros se formam quando algumas estrelas morrem, encolhem-se e explodem. Os astrônomos também estão procurando estrelas de nêutrons, estrelas pequenas e densas que se formam quando algumas estrelas morrem e colapsam.

Ambos poderiam conter informações interessantes sobre os elementos da Terra e sobre como as estrelas vivem e morrem. Mas, para descobrir essas informações, os astrônomos primeiro precisam descobrir onde estão os buracos negros. E para descobrir onde estão os buracos negros, eles precisam saber o que estão procurando.

Uma pista: os buracos negros costumam existir em algo chamado sistema binário. Isso significa simplesmente que duas estrelas estão próximas o suficiente uma da outra para serem unidas pela gravidade em uma órbita mútua. Quando uma dessas estrelas morre, a outra pode permanecer, ainda orbitando o espaço onde a estrela morta - agora um buraco negro ou estrela de nêutrons - viveu uma vez, e onde um buraco negro ou estrela de nêutrons se formou.

Durante anos, os buracos negros que os cientistas conheciam eram todos entre aproximadamente cinco e 15 vezes a massa do sol. As estrelas de nêutrons conhecidas geralmente não são maiores que cerca de 2,1 vezes a massa do sol - se estivessem acima de 2,5 vezes a massa do sol, elas entrariam em colapso para um buraco negro

Mas no verão de 2017, uma pesquisa chamada LIGO - o Observatório de Ondas Gravitacionais com Interferômetro a Laser - viu dois buracos negros se fundindo em uma galáxia a cerca de 1,8 milhão de anos-luz de distância. Um desses buracos negros tinha cerca de 31 vezes a massa do sol; o outro cerca de 25 vezes a massa do sol.

Thompson e outros astrofísicos há muito suspeitam que os buracos negros possam ter tamanhos fora do alcance conhecido, e a descoberta do LIGO provou que os buracos negros podem ser maiores. Mas havia uma janela de tamanho entre as maiores estrelas de nêutrons e os menores buracos negros.

Ele e outros cientistas começaram a vasculhar os dados do APOGEE, o Experimento de Evolução Galáctica do Apache Point Observatory, que coletou espectros de luz de cerca de 100.000 estrelas na Via Láctea. Thompson percebeu que os espectros poderiam mostrar se uma estrela poderia estar orbitando em torno de outro objeto: mudanças nos espectros - uma mudança para comprimentos de onda mais azuis, por exemplo, seguidas de uma mudança para comprimentos de onda mais vermelhos - poderiam mostrar que uma estrela estava orbitando um companheiro invisível.

Thompson começou a vasculhar os dados, procurando estrelas que mostrassem essa mudança, indicando que elas poderiam estar orbitando um buraco negro.

Depois, ele reduziu os dados do APOGEE para 200 estrelas, o que pode ser mais interessante. Ele forneceu os dados a um pesquisador associado do estado de Ohio, Tharindu Jayasinghe, que compilou milhares de imagens de cada sistema binário potencial da ASAS-SN, o All-Sky Automated Survey for Supernovae. (A ASAS-SN encontrou cerca de 1.000 supernovas e está fora do estado de Ohio.)

A análise de dados encontrou uma estrela vermelha gigante que parecia estar orbitando algo, mas que, com base em seus cálculos, era provavelmente muito menor que os buracos negros conhecidos na Via Láctea, mas muito maior que as estrelas de nêutrons mais conhecidas.

Após mais cálculos e dados adicionais do espectrômetro Echelle Reflector de Tillinghast e do satélite Gaia, eles perceberam que haviam encontrado um buraco negro de baixa massa, provavelmente cerca de 3,3 vezes a massa do sol.

“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. Thompson disse. "As massas nos dizem sobre sua formação e evolução, e sobre sua natureza."