Buracos negros super-massivos pouco depois do Big Bang: como os “semear”

CIÊNCIA/ASTRONOMIA

Impressão de artista de um dos mais primitivos buracos negros super-massivos conhecidos (círculo preto central) no núcleo de uma jovem galáxia, rica em estrelas.
Crédito: NASA/JPL-Caltech

São milhares de milhões de vezes maiores que o nosso Sol: como é possível que, como observado recentemente, os buracos negros super-massivos já estivessem presentes quando o Universo, agora com quase 14 mil milhões de anos, tinha “apenas” 800 milhões de anos? Para os astrofísicos, a formação destes monstros cósmicos num tão curto espaço de tempo é uma verdadeira dor de cabeça científica, que levanta questões importantes sobre o conhecimento actual do desenvolvimento destes corpos celestes.

Um artigo publicado recentemente na revista The Astrophysical Journal, pelo estudante de doutoramento Lumen Boco e pela sua orientadora Andrea Lapi, do SISSA (Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati), fornece uma possível explicação para esta difícil questão. Graças a um modelo original teorizado por cientistas de Trieste, Itália, o estudo propõe um processo muito rápido de formação nas fases iniciais do desenvolvimento dos buracos negros super-massivos, até agora consideradas mais lentas. Provando, matematicamente, que a sua existência era possível no jovem Universo, os resultados da investigação conciliam o tempo necessário para o seu desenvolvimento com os limites impostos pela idade do Cosmos.

A teoria pode ser totalmente validada graças a futuros detectores de ondas gravitacionais, como o Telescópio Einstein e o LISA, mas testada também em vários aspectos básicos com o actual sistema Advanced LIGO/Virgo.

O monstro cósmico que cresce no centro das galáxias

Os cientistas começaram o seu estudo com uma evidência observacional bem conhecida: o crescimento de buracos negros super-massivos ocorre nas regiões centrais das galáxias, progenitores das galáxias elípticas actuais, que tinham um conteúdo de gás muito alto e em que a formação estelar era extremamente intensa. “As maiores estrelas vivem pouco tempo e evoluem muito rapidamente para buracos negros estelares, tão grandes quanto várias dezenas de massas solares; são pequenos, mas nestas galáxias muitos formam-se.”

O gás denso que os rodeia, explicam Boco e Lapi, tem um efeito definitivo muito poderoso de atrito dinâmico e faz com que migrem muito depressa para o centro da galáxia. A maioria dos inúmeros buracos negros que alcançam as regiões centrais fundem-se, criando a semente do buraco negro super-massivo. Boco e Lapi continuam: “De acordo com as teorias clássicas, um buraco negro super-massivo cresce no centro de uma galáxia capturando a matéria circundante, principalmente gás, ‘cultivando-se’ a ele próprio e finalmente devorando essa matéria a um ritmo proporcional à sua massa.”

“Por esta razão, durante as fases iniciais do seu desenvolvimento, quando a massa do buraco negro é pequena, o crescimento é muito lento. Na medida em que, de acordo com os cálculos, para atingir a massa observada, milhares de milhões de vezes a do Sol, seria necessário um tempo muito longo, ainda maior do que a idade do Universo jovem.” O seu estudo, no entanto, mostrou que as coisas podem desenvolver-se muito mais depressa.

A corrida louca dos buracos negros: o que os cientistas descobriram

“Os nossos cálculos numéricos mostram que o processo de migração dinâmica e fusão de buracos negros estelares pode fazer com que a semente do buraco negro super-massivo alcance uma massa entre 10.000 e 100.000 vezes a massa do Sol em apenas 50-100 milhões de anos.” Neste ponto, dizem os cientistas, “o crescimento do buraco negro central de acordo com a acreção directa de gás, mencionada anteriormente e prevista pela teoria padrão, tornar-se-ia muito mais rápida, porque a quantidade de gás que conseguirá atrair e absorver tornar-se-ia imensa, e predominante no processo que propomos”.

“No entanto, precisamente o fato de partir de uma semente tão grande, como previsto pelo nosso mecanismo, acelera o crescimento global do buraco negro super-massivo e permite a sua formação, também no Universo jovem. Em resumo, à luz desta teoria, podemos afirmar que 800 milhões de anos após o Big Bang, os buracos negros super-massivos já podiam povoar o Cosmos”.

“Olhando” para o crescimento das sementes dos buracos negros super-massivos

O artigo, além de ilustrar o modelo e demonstrar a sua eficácia, também propõe um método de teste: “A fusão de vários buracos negros estelares com a semente do buraco negro super-massivo no centro produzirá ondas gravitacionais que esperamos ver e estudar com detectores actuais e futuros,” explicam os investigadores.

Em particular, as ondas gravitacionais emitidas nas fases iniciais, quando a semente do buraco negro central ainda é pequena, serão identificáveis pelos detectores actuais Advanced LIGO/Virgo e totalmente caracterizáveis pelo futuro Telescópio Einstein. As fases subsequentes de desenvolvimento do buraco negro super-massivo podem ser investigadas graças ao futuro detector LISA, com lançamento previsto para mais ou menos 2034. Desta forma, explicam Boco e Lapi, “o processo que propomos pode ser validado nas suas diferentes fases, de maneira complementar, pelos futuros detectores de ondas gravitacionais.”

“Esta investigação,” conclui Andrea Lapi, coordenadora do grupo de Astrofísica e Cosmologia do SISSA, “mostra como os estudantes e investigadores do nosso grupo estão a aproximar-se completamente da nova fronteira das ondas gravitacionais e da astronomia multi-mensageira. Em particular, o nosso principal objectivo será desenvolver modelos teóricos, como o desenvolvido neste caso, que servem para capitalizar as informações provenientes das experiências actuais e futuras de ondas gravitacionais, fornecendo assim soluções para problemas não resolvidos relacionados com a astrofísica, cosmologia e física fundamental.”

Astronomia On-line
27 de Março de 2020

 

spacenews

 

Dados do Chandra testam “teoria de tudo”

CIÊNCIA/ASTRONOMIA

Astrónomos usaram o Chandra para procurar partículas de massa extraordinariamente baixa, parecidas a axiões, no enxame de galáxias de Pesrseu. A ausência de uma detecção, nestas observações do Chandra, ajuda a descartar algumas versões da teoria das cordas, um conjunto de modelos com o objectivo de unificar todas as forças, partículas e interacções conhecidas.
Crédito: NASA/CXC/Universidade de Cambridge/C. Reynolds et al.

Uma das maiores ideias da física é a possibilidade de que todas as forças, partículas e interacções conhecidas possam ser ligadas numa única estrutura. A teoria das cordas é sem dúvida a proposta mais bem conhecida para uma “teoria de tudo” que uniria a nossa compreensão do Universo físico.

Apesar de existirem muitas versões diferentes da teoria das cordas a circular durante décadas pela comunidade da física, têm havido muito poucos testes experimentais. No entanto, os astrónomos que usam o Observatório de raios-X Chandra da NASA deram um passo significativo nessa área.

Pesquisando enxames galácticos, as maiores estruturas do Universo mantidas juntas pela gravidade, os investigadores conseguiram procurar uma partícula específica que muitos modelos da teoria das cordas preveem que deveria existir. Embora a não detecção resultante não descarte completamente a teoria das cordas, dá um golpe em certos modelos dessa família de ideias.

“Até recentemente, eu não fazia ideia do quanto os astrónomos de raios-X ‘traziam para a mesa’ quando se trata da teoria das cordas,” disse Christopher Reynolds, da Universidade de Cambridge, Reino Unido, que liderou o estudo. “Se estas partículas forem eventualmente detectadas, isso mudaria a física para sempre.”

A partícula que Reynolds e seus colegas estavam a procurar é chamada de “axião”. Estas partículas ainda não detectadas devem ter massas extraordinariamente baixas. Os cientistas não sabem o intervalo preciso de massa, mas muitas teorias apresentam massas axiais que variam de mais ou menos um milionésimo da massa de um electrão até massa zero. Alguns cientistas pensam que os axiões poderiam explicar o mistério da matéria escura, responsável pela grande maioria da matéria no Universo.

Uma propriedade invulgar destas partículas de massa ultra-baixa seria a de que às vezes convertem-se em fotões (isto é, “pacotes” de luz) à medida que passam através de campos magnéticos. O oposto também pode ser verdadeiro: os fotões também podem ser convertidos em axiões sob certas condições. A frequência com que esta conversão ocorre depende da facilidade com que a fazem, ou seja, da sua “conversibilidade.”

Alguns cientistas propuseram a existência de uma classe mais ampla de partículas de massa ultra-baixa com propriedades semelhantes às dos axiões. Os axiões teriam um único valor de conversibilidade em cada massa, mas as “partículas semelhantes a axiões” teriam um intervalo de conversibilidade na mesma massa.

“Embora possa parecer um tiro no escuro procurar partículas minúsculas como os axiões em estruturas gigantescas como enxames galácticos, na verdade são lugares óptimos para a procura,” disse o co-autor David Marsh da Universidade de Estocolmo na Suécia. “Os enxames de galáxias contêm campos magnéticos enormes e também costumam conter fontes brilhantes de raios-X. Juntas, estas propriedades aumentam a probabilidade de detectar a conversão de partículas parecidas a axiões.”

Para procurar sinais de conversão por partículas tipo-axião, a equipa de astrónomos examinou mais de cinco dias de observações em raios-X, pelo Chandra, de material a cair em direcção ao buraco negro super-massivo no centro do enxame de galáxias de Perseu. Eles estudaram o espectro do Chandra, ou a quantidade de emissão de raios-X observada em diferentes energias desta fonte. A longa observação e a brilhante fonte de raios-X forneceram um espectro com sensibilidade suficiente para mostrar distorções que os cientistas esperavam caso partículas tipo-axião estivessem presentes.

A ausência de detecção de tais distorções permitiu que os investigadores descartassem a presença da maioria dos tipos de partículas parecidas a axiões na gama de massas às quais as suas observações eram sensíveis, abaixo de mil bilionésimos da massa de um electrão.

“A nossa investigação não descarta a existência destas partículas, mas definitivamente não ajuda ao seu caso,” disse a co-autora Helen Russell da Universidade de Nottingham no Reino Unido. “Estas restrições investigam o leque de propriedades sugeridas pela teoria das cordas e podem ajudar os teóricos das cordas a eliminar as suas teorias.”

O resultado mais recente foi cerca de três a quatro vezes mais sensível do que a melhor investigação anterior de partículas semelhantes a axiões, proveniente de observações Chandra do buraco negro super-massivo da galáxia M87. Este estudo do enxame de galáxias de Perseu também é cerca de cem vezes mais poderoso que as medições actuais que podem ser realizadas em laboratórios aqui na Terra, para o intervalo de massa que consideraram.

Claramente, uma possível interpretação deste trabalho é que não existem partículas do tipo-axião. Outra explicação é que as partículas têm valores de conversibilidade ainda mais baixos do que o limite de detecção desta observação, e inferiores aos esperados por alguns físicos de partículas. Também podem ter massas mais altas do que as estudadas com os dados do Chandra.

O artigo que descreve estes resultados foi publicado na edição de 10 de Fevereiro de 2020 da revista The Astrophysical Journal e está disponível online.

Astronomia On-line
27 de Março de 2020

 

spacenews

 

3518: Os pedregulhos de Bennu brilham como faróis para a OSIRIS-REx da NASA

CIÊNCIA/ASTRONOMIA

Durante o evento de recolha de amostras, O NFT (Nature Feature Tracking) guiará a sonda OSIRIS-REx da NASA até à superfície do asteróide Bennu. A sonda captura imagens em tempo real de características à superfície do asteróide, enquanto desce, e compara-as com imagens de um catálogo a bordo. A nave então usa estes marcos geográficos para se orientar e pousar com precisão no local previsto.
Crédito: NASA/Goddard/Universidade do Arizona

Este verão, a sonda OSIRIS-REx empreenderá a primeira tentativa da NASA de tocar a superfície de um asteróide, recolher uma amostra e recuar em segurança. Mas, desde que chegou ao asteróide Bennu há mais de um ano, a equipa da missão tem vindo a enfrentar um desafio inesperado: como realizar este feito num asteróide cuja superfície está coberta de pedras do tamanho de edifícios.

Usando estas rochas perigosas como marcos, a equipa da missão desenvolveu um novo método de navegação de precisão para superar o desafio.

A equipa da OSIRIS-REx havia planeado originalmente usar um sistema LIDAR para navegar até à superfície de Bennu durante o evento de recolha de amostras TAG (Touch-And-Go). O LIDAR é semelhante a radar, mas usa pulsos de laser em vez de ondas de rádio para medir distâncias. O LIDAR GNC (Guidance, Navigation, and Control) da OSIRIS-REx foi construído para navegar a sonda até uma superfície relativamente livre de riscos. A missão previa originalmente um local de pouso com 50 metros de diâmetro, mas as maiores áreas seguras de Bennu são muito mais pequenas. O maior local tem apenas 16 metros de diâmetro, ou aproximadamente 10% da área segura prevista. A equipa percebeu que precisava de uma técnica mais precisa de navegação que permitisse à sonda atingir com exactidão locais muito pequenos, evitando ao mesmo tempo os potenciais riscos.

Diante deste desafio, a equipa da OSIRIS-REx mudou para um novo método de navegação chamado NFT (Natural Feature Tracking). O NFT fornece recursos de navegação mais abrangentes do que o LIDAR e é essencial para executar o que a equipa está a chamar “Bullseye TAG,” que encaminha a sonda para uma área de amostragem muito menor. Como uma técnica de navegação óptica, requer a criação de um catálogo de imagens de alta resolução a bordo da nave.

No início deste ano, a sonda realizou passagens de reconhecimento sobre o local primário de recolha e sobre o local backup da missão, designados Nightingale e Osprey, voando tão perto quando 625 m acima da superfície. Durante estas passagens rasantes, a sonda recolheu imagens de diferentes ângulos e condições de iluminação para completar o catálogo NFT de imagens. A equipa usa este catálogo para identificar pedregulhos e crateras exclusivas da região do local de amostragem e fará o upload destas informações para a sonda antes do evento de recolha de amostras. O NFT guia autonomamente a sonda até à superfície de Bennu, comparando o catálogo de imagens a bordo com imagens de navegação em tempo real, obtidas durante a descida. À medida que a sonda desce até à superfície, o NFT actualiza o seu ponto de contacto previsto, dependendo da posição da sonda em relação aos pontos de referência.

No solo, os membros da equipa criaram “mapas de risco” para os locais Nightingale e Osprey a fim de documentar todas as características de superfície que podem potencialmente prejudicar a nave, como grandes rochas ou encostas íngremes. A equipa usou o catálogo de imagens em conjunto com os dados do OLA (OSIRIS-REx Laser Altimeter) para criar mapas 3D que modelam com exactidão a topografia de Bennu. Como parte do NFT, estes mapas documentam as alturas dos pedregulhos e as profundidades das crateras, e guiam a sonda para longe de potenciais perigos enquanto tem como alvo um local muito pequeno. Durante a descida, caso a sonda preveja tocar terrenos inseguros, ela afastar-se-á autonomamente da superfície. No entanto, se a área estiver livre de perigos, continuará a descer e tentará recolher uma amostra.

O NFT será usado em Abril para navegar a sonda durante o seu primeiro ensaio de recolha de amostras. A equipa de operações realizou testes preliminares durante a fase B da missão orbital, no final de 2019, e os resultados demonstraram que o NFT trabalha em condições reais, conforme projectado. O NFT também será usado para navegação durante o segundo ensaio planeado para Junho.

A primeira tentativa de recolha de amostras da OSIRIS-REx está planeada para Agosto. A sonda partirá de Bennu em 2021 e deverá entregar as amostras à Terra em Setembro de 2023.

Astronomia On-line
27 de Março de 2020

 

spacenews