Não foram encontrados pequenos buracos negros em lugar nenhum, levando os astrônomos a se perguntar se eles não existiam. Agora, uma série de descobertas, incluindo um buraco negro “unicórnio”, aumentou as esperanças de resolver o mistério de uma década.
Quase uma década atrás, Feryal Özel e seus colegas notaram algo estranho. Embora uma variedade de possíveis buracos negros tenham sido encontrados em nossa galáxia, nenhum parecia cair abaixo de um certo tamanho. “Parecia haver uma escassez de buracos negros abaixo de 5 massas solares”, disse ela. “Estatisticamente, isso foi muito significativo”.
Desde que Özel, um astrofísico da Universidade do Arizona, publicou um artigo sobre o problema em 2010, a chamada lacuna de massa ficou inexplicada. Mesmo depois que os detectores de ondas gravitacionais LIGO e Virgo começaram a identificar dezenas de buracos negros ocultos – incluindo algumas surpresas – a lacuna de massa parecia se manter firme.
Com o tempo, astrofísicos como Özel começaram a se perguntar: os pequenos buracos negros são difíceis de encontrar ou podem não existir? “É importante estabelecer observacionalmente se essa lacuna é real ou se é um artefato observacional”, disse Vicky Kalogera, astrofísica da Northwestern University e membro líder da equipe LIGO.
Descobertas recentes estão começando a sugerir que o último pode ser o caso. Nos últimos dois anos, os pesquisadores descobriram vários buracos negros possíveis na lacuna de massa. Então, no início deste mês, os astrônomos apresentaram evidências do que pode ser nosso melhor candidato – um objeto de massa solar de 2,9 apelidado de “o unicórnio”.
Antes do LIGO, os astrônomos descobriam buracos negros principalmente procurando pelos raios-X que eles produziam ao sugar matéria de uma estrela próxima. Eles também podiam detectar o efeito gravitacional que um buraco negro teria sobre outra estrela em um sistema binário. Os pesquisadores do unicórnio usaram este último método, focalizando um sistema chamado V723 Monoceros, localizado a cerca de 1.000 anos-luz de distância. Eles estudaram o movimento de uma estrela gigante vermelha com uma variedade de telescópios, incluindo o satélite Gaia da Agência Espacial Europeia, que está mapeando a posição de bilhões de estrelas em nossa galáxia, e o satélite de pesquisa de exoplanetas em trânsito da NASA (TESS).
Os pesquisadores concluíram que a gigante vermelha parece estar dançando com um parceiro invisível. “A explicação mais simples para o companheiro escuro é um único objeto compacto, mais provavelmente um buraco negro, na ‘lacuna de massa'”, escreveu a equipe.
A descoberta, se confirmada, ajudaria a iluminar a fina distinção que a natureza faz no final da vida de uma estrela massiva. Quando uma estrela gigante esgota seu combustível, a massa da estrela flui para dentro e seu núcleo entra em colapso. Se a massa que chega pode explodir e superar a força gravitacional da estrela, ela explode em uma supernova. Mas se não – se houver massa demais – a estrela colapsa sobre si mesma e forma um buraco negro.
“É uma corrida entre a ocorrência da explosão e a formação de um buraco negro”, disse Todd Thompson, astrofísico teórico da Ohio State University e co-autor do artigo recente. “Esta corrida tem de ser vencida em cerca de um segundo. Se não explodir naquele segundo, então ele forma um buraco negro. Se explodir, deixa para trás uma estrela de nêutrons.”
Exatamente o que determina se uma estrela explode como uma supernova ou colapsa em um buraco negro não está claro. “A física real da explosão da supernova é uma grande incógnita”, disse Thompson. A lacuna de massa do buraco negro “pode ser uma pista vital para esse processo”.
Houve algumas descobertas provisórias na lacuna de massa até agora. Benjamin Giesers da Universidade de Göttingen e colegas descobriram um possível buraco negro de massa solar de 4,4 em 2018, enquanto Thompson e seus colegas encontraram um candidato de massa solar de 3,3 em 2019.
Então, no ano passado, os cientistas do LIGO anunciaram a detecção de um objeto 2,6 vezes a massa do nosso Sol, um candidato muito tentador com uma massa confortavelmente na lacuna de massa. “O melhor caso para um buraco negro de gap de massa é do LIGO,” disse Thompson.
No entanto, nessas massas mais baixas, é difícil dizer a diferença entre um buraco negro e uma estrela de nêutrons, uma vez que a última pode aumentar até um máximo teórico de 3 massas solares. E dependendo das condições, as estrelas de nêutrons também podem parecer escuras. “Se uma estrela de nêutrons é um pulsar com um feixe apontado para você, isso faz algumas coisas muito óbvias”, disse Tom Maccarone, um especialista em buracos negros e estrelas de nêutrons na Texas Tech University. “Mas se não for, pode ser muito difícil separar” de um buraco negro.
Como tal, descobertas de buracos negros como a recente do LIGO ainda não foram confirmadas, assim como o unicórnio. “Parece plausível”, disse Özel. “Acho que seus métodos são sólidos e a análise cuidadosa. Existem ainda algumas outras possibilidades quanto ao que poderia ser, mas a conclusão a que eles chegaram – que é mais provavelmente um único objeto escuro com uma massa de 2,9 massas solares – parece sólida para mim.”
Nem todo mundo tem tanta certeza. Por um lado, é possível que o sistema não seja binário, mas um sistema triplo, com dois objetos menores contabilizando a massa ausente. Maccarone também disse que se o unicórnio é um buraco negro, ele deveria estar puxando matéria para longe de sua estrela companheira e criando raios-X. “A luminosidade dos raios X é muito fraca para o cenário do buraco negro”, disse ele.
Também há incerteza sobre a massa do próprio objeto. Embora a melhor estimativa seja de 2,9 massas solares, os autores afirmam que ela pode pesar entre 2,6 e 3,6 massas solares. “Este intervalo é muito amplo para termos certeza de que não é uma estrela de nêutrons”, disse Kalogera. “E não há mais nada nas observações que nos permita distinguir entre uma estrela de nêutrons e um buraco negro.”
Se esta descoberta acabar não sendo um buraco negro – e especialmente se os outros candidatos também não resistirem a um escrutínio – então talvez os buracos negros simplesmente não se formem abaixo de 5 massas solares. Tal revelação teria implicações significativas para nossa compreensão da física das supernovas. “Se você realmente tem uma lacuna lá, isso sugere um mecanismo de explosão muito rápido”, disse Maccarone. “Não entendemos o que impulsiona as explosões de supernovas bem o suficiente para ter um forte viés teórico sobre o que esperar.”
Mas se o unicórnio for realmente um buraco negro, pode ser um dos muitos nesta lacuna esperando para ser descoberto e estudado. “Isso é o que é empolgante sobre este jornal”, diz Özel. “Se chegarmos a um ponto em que sabemos mais de um ou dois desses objetos, podemos entender que tipos de processos levam a esses buracos negros de massa menor.”
Publicado em 28/01/2021 10h54
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