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

 

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3503: Equipa descobre método de aprimorar imagens de buracos negros

CIÊNCIA/ASTRONOMIA

A imagem de um buraco negro tem um anel brilhante de emissão em redor de uma “sombra” provocada pelo objecto monstruoso. Este anel é composto de uma série de sub-anéis cada vez mais nítidos que correspondem ao número de órbitas que os fotões deram antes de chegar ao observador.
Crédito: George Wong (UIUC) e Michael Johnson (CfA)

No passado mês de Abril, o EHT (Event Horizon Telescope) despertou entusiasmo internacional ao revelar a primeira imagem de um buraco negro. E agora uma equipa de investigadores publicou novos cálculos que preveem uma subestrutura impressionante e intrincada nas imagens de buracos negros devido à extrema curvatura gravitacional da luz.

“A imagem de um buraco negro na verdade contém uma série aninhada de anéis,” explica Michael Johnson do Centro para Astrofísica de Harvard e Smithsonian. “Cada anel sucessivo tem aproximadamente o mesmo diâmetro, mas torna-se cada vez mais nítido porque a sua luz orbitou o buraco negro mais vezes antes de chegar ao observador. Com a imagem actual do EHT, captámos apenas um vislumbre de toda a complexidade que deve surgir na imagem de qualquer buraco negro.”

Dado que os buracos negros capturam todos os fotões que cruzam o seu horizonte de eventos, lançam uma sombra na sua brilhante emissão circundante do gás quente presente. Um “anel de fotões” envolve esta sombra, produzida a partir da luz que é concentrada pela forte gravidade próxima do buraco negro. Este anel de fotões transporta a impressão digital do buraco negro – o seu tamanho e forma codificam a massa e a rotação do buraco negro. Com as imagens EHT, os investigadores de buracos negros têm uma nova ferramenta para estudar estes objectos extraordinários.

“Este é um momento extremamente emocionante para se pensar na física dos buracos negros,” diz Daniel Kapec, membro da Escola de Ciências Naturais do Instituto de Estudos Avançados. “A teoria da relatividade geral de Einstein faz uma série de previsões impressionantes para os tipos de observações que finalmente estão a chegar ao nosso alcance, e penso que podemos esperar muitos avanços nos próximos anos. Como teórico, acho a rápida convergência entre teoria e experiências especialmente gratificante e espero que possamos continuar a isolar e a observar previsões mais universais da relatividade geral à medida que estas experiências se tornam mais sensíveis.”

A equipa de investigação inclui astrónomos observacionais, físicos teóricos e astrofísicos.

“Reunir especialistas de diferentes áreas permitiu-nos realmente ligar um entendimento teórico do anel de fotões com o que é possível com a observação,” observa George Wong, estudante de física da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign. Wong desenvolveu um software para produzir imagens simuladas de buracos negros em resoluções mais altas do que as calculadas anteriormente e para decompor estas imagens na série prevista de sub-imagens. “O que começou como cálculos clássicos de lápis e papel levou-nos a empurrar as nossas simulações a novos limites.”

Os cientistas também descobriram que a subestrutura da imagem do buraco negro cria novas possibilidades para observar buracos negros. “O que realmente nos surpreendeu foi que, enquanto as subestruturas aninhadas são quase imperceptíveis a olho nu nas imagens – mesmo em imagens perfeitas – são sinais fortes e claros em redes de telescópios chamadas interferómetros,” realça Johnson. “Embora a captura de imagens de buracos negros normalmente exija muitos telescópios distribuídos, os sub-anéis são perfeitos para estudar usando apenas dois telescópios separados por grandes distâncias. Adicionar um telescópio espacial ao EHT seria suficiente.”

“A física dos buracos negros sempre foi um assunto sublime, com profundas implicações teóricas,” diz Alex Lupsasca da Sociedade de Harvard. “Como teórico, tenho o prazer de finalmente recolher dados reais sobre estes objectos nos quais temos vindo a pensar abstractamente há tanto tempo.”

Astronomia On-line
20 de Março de 2020

 

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‘Infinite subrings’ may be next frontier for photographing black holes

SCIENCE/ASTRONOMY

Peering so deeply would require adding a space component to the Event Horizon Telescope.

The Event Horizon Telescope captured this image of the supermassive black hole and its shadow that’s in the center of the galaxy M87.
(Image: © Event Horizon Telescope Collaboration)

Black-hole photography could be even more powerful and revelatory than scientists had thought.

Last April, the Event Horizon Telescope (EHT) project unveiled the first-ever imagery of a black hole, laying bare the supermassive monster at the heart of the galaxy M87. The landmark photos have opened new doors, allowing scientists to probe exotic space-time realms like never before.

And that probing may go much deeper still in the not-too-distant future. The most prominent feature in the EHT imagery, a bright but unresolved ring around M87’s supermassive black hole, likely contains a thin “photon ring” that  is composed of an infinite sequence of subrings, a new study reports.

The intricate structure of this photon ring holds a treasure trove of information about the black hole — information that scientists can access by extending the EHT’s reach a bit, study team members said.

“Black holes are giving us this gift, this signal unlike anything that’s been studied in astronomy,” said lead author Michael Johnson, an astrophysicist at the Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Cambridge, Massachusetts.

“It’s not just some cheap picture of, ‘We understand black holes better,'” Johnson told Space.com. “It’s actually enabling a whole new way to measure them.”

Put a ring on it

The EHT is a network of eight radio telescopes around the world, which are linked to form a virtual instrument the size of Earth — a technique known as very-long-baseline interferometry (VLBI).

This megascope has been observing two supermassive black holes. One is the M87 beast, which lies 53.5 million light-years from Earth and is about 6.5 billion times more massive than Earth’s sun. The other is the Milky Way’s central black hole, known as Sagittarius A*, which is 26,000 light-years away and harbors “only” 4.3 million solar masses.

The EHT team looked first at M87’s black hole, which is a bit easier to resolve because it’s less variable over short timescales. The project hopes to get imagery of Sagittarius A* soon as well, EHT team members have said.

Such imagery doesn’t depict the interior of a black hole, of course; that’s impossible to pull off without being inside a black hole, because these objects gobble up light. Rather, the EHT provides a silhouette of the black hole, mapping out its event horizon, the point of no return beyond which nothing can escape.

The EHT imagery shows that the silhouette of the M87 black hole is surrounded by a bright ring of emission — photons shot out by the hot, fast-moving plasma swirling around the supermassive object. In the new study, Johnson and his colleagues suggest that this ring is a rich resource for astronomers to mine.

Einstein’s theory of general relativity predicts that embedded within the emission halo is a “photon ring,” which itself consists of a complex nest of infinite subrings, the researchers determined.

“Together, the set of subrings are akin to the frames of a movie, capturing the history of the visible universe as seen from the black hole,” Johnson and his colleagues wrote in the new paper, which was published online today (March 18) in the journal Science Advances.

Watching that “movie” could reveal key but elusive insights about black holes and the nature of gravity, the researchers said. For example, characterizing the subrings in detail could help scientists nail down a black hole’s mass and spin, the two properties that define these exotic objects.

“Once you know these two parameters about the system, we think you know everything there is to know about the black hole,” Johnson said.

EHT observations currently allow calculation of black hole masses within 10% or so of the actual value, he added, and they don’t reveal much about spin. But taking the project off Earth could change things significantly.

A telescope bigger than Earth

The EHT consortium, an international team of about 200 researchers, has long planned to push the array into the final frontier eventually, provided their funding will allow it. After all, bigger telescopes, including those linked via VLBI, are more powerful.

But this prospect has long seemed daunting, as calculations have indicated it would take at least half a dozen space-based components to appreciably improve the EHT’s resolving power, Johnson said.

The new study, however, suggests that reading the subrings won’t require such a significant outlay of resources. The researchers determined that even a single satellite — or just one properly designed instrument aboard a parent spacecraft — would likely do the trick, provided it extended the EHT’s footprint far enough out into space.

“Even, say, at geosynchronous orbit — that’s a big resolution improvement for the EHT,” Johnson said, referring to the swath of space about 22,200 miles (35,730 kilometers) above Earth’s surface. “And then, certainly, once you get out to the moon — that’s where I think we would really be looking at entirely new science.”

The subring signatures should be quite easy for a properly extended EHT to measure, he added.

“They seem almost magical,” Johnson said. “We went from this situation where it was sort of unimaginable to even increase the resolution of EHT images by a factor of two. And now we’re thinking, by adding a single space-based line that’s very long, we might be able to increase EHT resolution by a factor of 100.”

This potential milestone isn’t just around the corner, but it may not be too far off, either; Johnson said that the EHT could get a space component within 10 years or so, if everything breaks the project’s way.

Mike Wall is the author of “Out There” (Grand Central Publishing, 2018; illustrated by Karl Tate), a book about the search for alien life. Follow him on Twitter @michaeldwall. Follow us on Twitter @Spacedotcom or Facebook.

livescience
By Mike Wall – Space.com Senior Writer
19/03/2020

 

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3478: Descoberta explosão recorde por buraco negro

CIÊNCIA/ASTRONOMIA

As evidências da maior explosão alguma vez vista no Universo surgem de uma combinação de dados de raios-X obtidos pelo Chandra e pelo XMM-Newton, com dados de rádio obtidos pelo MWA e pelo GMRT. A erupção foi desencadeada por um buraco negro localizado na galáxia central do enxame, que expeliu jactos e esculpiu uma grande cavidade no gás quente em redor. Os investigadores estimam que esta explosão libertou cinco vezes mais energia do que o recordista anterior e centenas de milhares de vezes mais do que um típico enxame galáctico. Crédito: raios-X – NASA/CXC/NRL/S. Giacintucci, et al., XMM-Newton; ESA/XMM-Newton; rádio – NCRA/TIFR/GMRT; infravermelho – 2MASS/UMass/IPAC-Caltech/NASA/NSF

Foi encontrada a maior explosão já vista no Universo. Esta gigantesca erupção recorde veio de um buraco negro num distante enxame galáctico a centenas de milhões de anos-luz de distância.

“De certa forma, esta explosão é semelhante ao modo como a erupção do Monte Santa Helena em 1980 destruiu o topo da montanha,” disse Simona Giacintucci do Laboratório Naval de Investigação em Washington, DC, EUA, autora principal do estudo. “Uma diferença fundamental é que podíamos colocar quinze Vias Lácteas seguidas na cratera criada pela erupção que perfurou o gás quente do enxame.”

Os astrónomos fizeram esta descoberta usando dados de raios-X do Observatório de raios-X Chandra da NASA, do XMM-Newton da ESA, e dados rádio do MWA (Murchison Widefield Array) na Austrália e do GMRT (Giant Metrewave Radio Telescope) na Índia.

A incomparável explosão foi detectada no enxame galáctico de Ofiúco, que fica a cerca de 390 milhões de anos-luz da Terra. Os enxames de galáxias são as maiores estruturas do Universo mantidas juntas pela gravidade, contendo milhares de galáxias individuais, matéria escura e gás quente.

No centro do enxame de Ofiúco, existe uma grande galáxia que contém um buraco negro super-massivo. Os cientistas pensam que a fonte da erupção gigantesca é este buraco negro.

Embora os buracos negros sejam famosos por puxar material na sua direcção, normalmente expelem quantidades prodigiosas de material e energia. Isto ocorre quando a matéria que cai em direcção ao buraco negro é redireccionada para jactos, ou feixes, expelidos para o espaço e que chocam com qualquer material circundante.

As observações do Chandra relatadas em 2016 revelaram pela primeira vez pistas da explosão gigante no enxame de galáxias de Ofiúco. Norbert Werner e colegas divulgaram a descoberta de uma invulgar borda curva na imagem do enxame pelo Chandra. Consideraram se isso representava parte da parede de uma cavidade no gás quente criado pelos jactos do buraco negro super-massivo. No entanto, descartaram essa possibilidade, em parte porque seria necessária uma quantidade enorme de energia para o buraco negro criar uma cavidade tão grande.

O estudo mais recente por Giacintucci e colegas mostra que ocorreu, de facto, uma enorme explosão. Primeiro, mostraram que a aresta curva também é detectada pelo XMM-Newton, confirmando a observação do Chandra. O seu avanço crucial foi a utilização de novos dados de rádio do MWA e do arquivo do GMRT para mostrar que a orla curva faz realmente parte da parede de uma cavidade, porque faz fronteira com uma região cheia de emissão de rádio. Esta emissão é de electrões acelerados até quase à velocidade da luz. A aceleração provavelmente teve origem no buraco negro super-massivo.

“Os dados de rádio cabem dentro dos de raios-X como uma mão numa luva,” disse Maxim Markevitch do Centro de Voo Espacial Goddard da NASA em Greenbelt, no estado norte-americano de Maryland. “Este é o argumento decisivo que nos diz que ocorreu aqui uma erupção de tamanho sem precedentes.”

A quantidade de energia necessária para criar a cavidade em Ofiúco é cerca de cinco vezes maior que o recordista anterior, MS 0735+74, e centenas de milhares de vezes maior que os enxames típicos.

A erupção do buraco negro deve ter terminado porque os cientistas não vêm nenhuma evidência de jactos actuais nos dados de rádio. Este desligar pode ser explicado pelos dados do Chandra, que mostram que o gás mais denso e mais frio visto em raios-X está actualmente localizado numa posição diferente da galáxia central. Se este gás se tiver afastado da galáxia, terá privado o buraco negro de combustível para o seu crescimento, desligando os jactos.

Este deslocamento de gás é provavelmente provocado pelo “vascolejar” do gás em torno do meio do enxame, como vinho num copo. Normalmente, a fusão de dois enxames de galáxias desencadeia tal agitação, mas aqui pode ter sido despoletada pela erupção.

Um enigma é que apenas é vista uma região gigante de emissão de rádio, pois estes sistemas geralmente contêm duas em lados opostos do buraco negro. É possível que o gás do outro lado da cavidade do enxame seja menos denso, de modo que as emissões de rádio desvaneceram mais rapidamente.

“Como costuma ser o caso na astrofísica, precisamos realmente de observações em vários comprimentos de onda para entender verdadeiramente os processos físicos em funcionamento,” disse Melanie Johnston-Hollitt, co-autora do ICRAR (International Centre for Radio Astronomy) na Austrália. “Graças às informações combinadas de telescópios de raios-X e de rádio, conseguimos revelar esta fonte extraordinária, mas serão necessários mais dados para responder às muitas perguntas restantes que este objecto coloca.”

O artigo que descreve estes resultados foi publicado na edição de 27 de Fevereiro da revista The Astrophysical Journal.

Astronomia On-line
3 de Março de 2020

 

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3422: Quantas estrelas eventualmente colidem como buracos negros? O Universo dá uma estimativa

CIÊNCIA/ASTRONOMIA

Impressão de artista que mostra as colisões de dois buracos negros, parecidas àquelas detectadas pelos detectores de ondas gravitacionais LIGO e Virgo.
Crédito: LIGO/Caltech/MIT/Universidade Estatal de Sonoma (Aurore Simonnet)

Desde o avanço na astronomia de ondas gravitacionais em 2015, que os cientistas foram capazes de detectar mais de uma dúzia de pares de buracos negros – conhecidos como buracos negros binários – graças às suas colisões. No entanto, os cientistas ainda debatem quantos destes buracos negros nascem a partir das estrelas e como são capazes de se aproximar o suficiente para uma colisão durante a vida útil do nosso Universo.

Agora, um novo e promissor estudo desenvolvido por um astrofísico da Universidade de Vanderbilt poderá dar-nos um método para encontrar o número de estrelas disponíveis na história do Universo que colidem como buracos negros binários.

A investigação, publicada na revista The Astrophysical Journal Letters, vai ajudar futuros cientistas a interpretar a população subjacente de estrelas e a testar as teorias de formação de todos os buracos negros em colisão ao longo da história cósmica.

“Até agora, os cientistas teorizaram a formação e a existência de pares de buracos negros no Universo, mas as origens dos seus antecessores, estrelas, ainda permanecem um mistério,” disse Karan Jani, autor principal do estudo e astrofísico da Universidade de Vanderbilt. “Com este trabalho, fizemos um estudo forense sobre colisões de buracos negros usando as observações astrofísicas actualmente disponíveis. No processo, desenvolvemos uma restrição fundamental, ou estimativa, que nos diz mais sobre a fracção de estrelas desde o início do Universo que estão destinadas a colidir como buracos negros.”

Aproveitando a teoria da relatividade geral de Einstein, que nos diz como os buracos negros interagem e eventualmente colidem, Jani e o co-autor Abraham Loeb, da Universidade de Harvard, usaram os eventos LIGO registados para fazer um inventário dos recursos temporais e espaciais do Universo a qualquer determinado ponto. Desenvolveram depois as restrições responsáveis por cada etapa do processo de um buraco negro binário: o número de estrelas disponíveis no Universo, o processo de cada estrela que transita para um buraco negro individual e a detecção da eventual colisão desses buracos negros – detectados centenas de milhões de anos mais tarde pelo LIGO como ondas gravitacionais emitidas pelo impacto.

“A partir das observações actuais, descobrimos que 14% de todas as estrelas massivas do Universo estão destinadas a colidir como buracos negros. É uma eficiência notável por parte da natureza,” explicou Jani. “Estas restrições adicionais podem ajudar os cientistas a rastrear as histórias dos buracos negros, respondendo a perguntas antigas e, sem dúvida, criando cenários mais exóticos.”

Astronomia On-line
7 de Fevereiro de 2020

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3392: XMM-Newton mapeia os arredores de um buraco negro

CIÊNCIA/ASTRONOMIA

Esta animação mostra os arredores de um buraco negro que se alimenta de gás circundante. À medida que este material cai para o buraco negro, espirala para formar um disco achatado aquecido. No próprio centro do disco, perto do buraco negro, uma região de electrões muito quentes – com temperaturas na ordem dos mil milhões de graus – conhecida como coroa produziu raios-X altamente energéticos que são expelidos para o espaço.
Crédito: ESA

O material que cai num buraco negro lança raios-X para o espaço – e agora, pela primeira vez, o observatório de raios-X XMM-Newton da ESA usou os ecos reverberantes desta radiação para mapear o comportamento dinâmico e os arredores do próprio buraco negro.

A maior parte dos buracos negros são demasiado pequenos, no céu, para resolvermos o seu ambiente imediato, mas ainda assim podemos explorar estes objectos misteriosos observando como a matéria se comporta quando se aproxima e cai neles.

À medida que o material espirala em direcção a um buraco negro, é aquecido e emite raios-X que, por sua vez, ecoam e reverberam à medida que interagem com o gás próximo. Estas regiões do espaço são altamente distorcidas devido à natureza extrema e à gravidade esmagadoramente forte do buraco negro.

Pela primeira vez, investigadores usaram o XMM-Newton para rastrear estes ecos de luz e mapear os arredores do buraco negro no núcleo de uma galáxia activa. Com o nome IRAS 13224–3809, a galáxia hospedeira do buraco negro é uma das fontes de raios-X mais variáveis do céu, passando por flutuações muito grandes e rápidas de brilho, na ordem de 50 em poucas horas.

“Todos nós estamos habituados à forma como o eco das nossas vozes soa diferente quando falamos numa sala de aula, em comparação com uma catedral – isto deve-se simplesmente à geometria e aos materiais dos locais, que fazem com que o som se comporte e se mova de maneira diferente,” explica William Alston da Universidade de Cambridge, autor principal do novo estudo.

“De maneira semelhante, podemos observar como os ecos da radiação de raios-X se propagam nas proximidades de um buraco negro, a fim de mapear a geometria de uma região e o estado de um aglomerado de matéria antes de desaparecer na singularidade. É um pouco como eco-localização cósmica.”

Como a dinâmica do gás em queda está fortemente ligada com as propriedades do buraco negro, William e colegas foram também capazes de determinar a massa e a rotação do buraco negro central da galáxia, observando as propriedades da matéria enquanto espiralava para dentro.

O material em espiral forma um disco enquanto cai para o buraco negro. Acima deste disco encontra-se uma região de electrões muito quentes – com temperaturas na ordem dos mil milhões de graus – chamada coroa. Embora os cientistas esperassem ver os ecos de reverberação que usaram para mapear a geometria da região, também avistaram algo inesperado: a própria coroa mudou de tamanho incrivelmente depressa, em questão de dias.

“À medida que o tamanho da coroa muda, o mesmo ocorre com o eco de luz – um pouco como se o tecto da catedral estivesse a subir e a descer, mudando o eco das nossas vozes,” acrescenta William.

“Ao rastrear os ecos de luz, fomos capazes de rastrear esta coroa em mudança e – ainda mais excitante – obter valores muito melhores para a massa e para a rotação do buraco negro do que poderíamos determinar se a coroa não estivesse a mudar de tamanho. Sabemos que a massa do buraco negro não pode estar a flutuar; portanto, qualquer alteração no eco deve ser devida ao ambiente gasoso.”

O estudo usou a observação mais longa de um buraco negro em acreção já obtida com o XMM-Newton, recolhida ao longo de 16 órbitas em 2011 e 2016 e totalizando 2 milhões de segundos – pouco mais de 23 dias. Isto, combinado com a variabilidade forte e de curto prazo do próprio buraco negro, permitiu a William e colaboradores modelarem os ecos de maneira abrangente ao longo de escalas de tempo de um dia.

A região explorada neste estudo não é acessível a observatórios como o EHT (Event Horizon Telescope), que conseguiu obter a primeira imagem do gás na vizinhança imediata de um buraco negro – aquele localizado no centro da massiva galáxia vizinha M87. O resultado, com base em observações realizadas com radiotelescópios em todo o mundo em 2017 e publicado o ano passado, tornou-se imediatamente uma sensação global.

“A imagem do EHT foi obtida usando um método conhecido como interferometria – uma técnica maravilhosa que só pode funcionar nos pouquíssimos buracos negros super-massivos mais próximos da Terra, como o de M87 e o da nossa Galáxia, a Via Láctea, porque o seu tamanho aparente no céu é grande o suficiente para este método funcionar,” diz o co-autor Michael Parker, cientista da ESA no Centro Europeu de Astronomia perto de Madrid, Espanha.

“Em contraste, a nossa abordagem é capaz de investigar as centenas de buracos negros super-massivos mais próximos que consomem activamente matéria – e este número aumentará significativamente com o lançamento do satélite Athena da ESA.

A caracterização dos ambientes próximos dos buracos negros é um objectivo científico essencial da missão Athena da ESA, com lançamento previsto para o início da década de 2030 e que revelará os segredos do Universo quente e energético.

A medição da massa, rotação e ritmos de acreção de uma grande amostra de buracos negros é fundamental para entender a gravidade em todo o cosmos. Além disso, dado que os buracos negros super-massivos estão fortemente ligados às propriedades das suas galáxias hospedeiras, estes estudos também são fundamentais para aprofundar o nosso conhecimento de como as galáxias se formam e evoluem ao longo do tempo.

“O grande conjunto de dados fornecidos pelo XMM-Newton foi essencial para este resultado,” disse Norbert Schartel, cientista do projecto XMM-Newton da ESA.

“O mapeamento da reverberação é uma técnica excitante que promete revelar muito sobre os buracos negros e sobre o Universo em geral nos próximos anos. Espero que o XMM-Newton realize campanhas de observação semelhantes para mais algumas galáxias activas nos próximos anos, para que o método esteja totalmente estabelecido quando a missão Athena for lançada.”

Astronomia On-line
24 de Janeiro de 2020

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3347: SOFIA revela novo panorama do centro da Via Láctea

CIÊNCIA/ASTRONOMIA

Composição infravermelha do centro da nossa Galáxia, a Via Láctea. Esta imagem abrange mais de 600 anos-luz e está a ajudar os cientistas a aprender como muitas estrelas massivas se formam no centro da nossa Galáxia. Novos dados do SOFIA, obtidos a 25 e 37 micrómetros, vistos em azul e verde, foram combinados com dados do Observatório Espacial Herschel vistos a vermelho (70 micrómetros) e com dados do Telescópio Espacial Spitzer a branco (8 micrómetros). A imagem do SOFIA revela características poeirentas em detalhes sem precedentes.
Crédito: NASA/SOFIA/Caltech/ESA/Herschel

A NASA capturou uma imagem infravermelha extremamente nítida do centro da nossa Galáxia, a Via Láctea. Abrangendo uma distância de mais de 600 anos-luz, este panorama revela detalhes no interior de densos redemoinhos de gás e poeira em alta resolução, abrindo a porta para futuras investigações sobre como as estrelas massivas estão a ser formadas e sobre o que está a alimentar o buraco negro super-massivo no Núcleo Galáctico.

Entre as características em foco estão as curvas salientes do Enxame do Arco, que contém a concentração mais densa de estrelas na nossa Galáxia, bem como o Enxame do Quintupleto, com estrelas um milhão de vezes mais brilhantes do que o Sol. O buraco negro da nossa Galáxia toma forma com um vislumbre do anel de gás de aparência ardente em seu redor.

Esta nova visão foi possível graças ao maior telescópio aéreo do mundo, o SOFIA (Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy). Voando alto na atmosfera, este Boeing 747 modificado apontou a sua câmara infravermelha FORCAST (Faint Object Infrared Camera for the SOFIA Telescope) para observar material galáctico quente emitindo em comprimentos de onda que outros telescópios não podem detectar. A imagem combina a nova perspectiva de regiões quentes do SOFIA com dados anteriores que expõem materiais muito quentes e frios do Telescópio Espacial Spitzer da NASA e do Observatório Espacial Herschel da ESA.

Um artigo científico que destaca os resultados iniciais foi submetido para publicação na revista The Astrophysical Journal. A imagem foi apresentada pela primeira vez esta semana na reunião da Sociedade Astronómica Americana em Honolulu, Hawaii.

“É incrível ver o nosso Centro Galáctico em detalhe como nunca vimos antes,” disse James Radomski, cientista da USRA (Universities Space Research Association) no Centro de Ciências do SOFIA pertencente ao Centro de Pesquisa Ames da NASA em Silicon Valley, no estado norte-americano da Califórnia. “Estudar esta área tem sido como tentar montar um quebra-cabeças com peças em falta. Os dados do SOFIA preenchem algumas das lacunas, colocando-nos significativamente mais perto de ter uma imagem completa.”

Nascimento Estelar

As regiões centrais da Via Láctea possuem significativamente mais do denso gás e da densa poeira que são os elementos básicos de novas estrelas em comparação com outras partes da Galáxia. No entanto, há 10 vezes menos estrelas massivas aqui nascidas do que o esperado. Tem sido difícil entender o porquê desta discrepância devido à poeira que se interpõe entre a Terra e o Núcleo Galáctico – mas ao observarmos no infravermelho conseguimos estudar melhor esta situação.

Os novos dados infravermelhos iluminam estruturas indicativas de nascimento estelar perto do Enxame do Quintupleto e material ameno perto do Enxame do Arco que podem ser as sementes de novas estrelas. A observação destas características em alta resolução pode ajudar os cientistas a explicar como algumas das estrelas mais massivas de toda a nossa Galáxia conseguiram se formar tão perto uma das outras, numa região relativamente pequena, apesar da baixa taxa de natalidade nas áreas circundantes.

“Compreender como o nascimento estelar massivo ocorre no centro da nossa Galáxia dá-nos informações que podem ajudar a aprender mais sobre outras galáxias mais distantes,” disse Matthew Hankins, investigador pós-doutorado do Instituto de Tecnologia da Califórnia em Pasadena, EUA, e investigador principal do projecto. “A utilização de vários telescópios dá-nos pistas que precisamos para entender estes processos, e ainda há mais por descobrir.”

Anel em Redor do Buraco Negro

Os cientistas também conseguem ver mais claramente o material que pode estar a alimentar o anel em torno do buraco negro super-massivo da nossa Galáxia. O anel tem cerca de 10 anos-luz de diâmetro e desempenha um papel fundamental para aproximar a matéria do buraco negro, onde pode ser devorada. A origem deste anel há muito que é um enigma para os cientistas, pois pode esgotar-se ao longo do tempo, mas os dados do SOFIA revelam várias estruturas que podem representar material sendo nele incorporado.

Os dados foram recolhidos em Julho de 2019 durante o destacamento anual do SOFIA em Christchurch, Nova Zelândia, onde os cientistas estudam os céus do hemisfério sul. O conjunto de dados, completo e calibrado, está actualmente disponível aos astrónomos de todo o mundo para pesquisas adicionais através do Programa do Legado SOFIA.

O Telescópio Espacial Spitzer será desactivado no dia 30 de Janeiro, depois de operar durante mais de 16 anos. O SOFIA continua a explorar o Universo estudando comprimentos de onda no infravermelho médio e distante com alta resolução, inacessíveis a outros telescópios, e a ajudar os cientistas a compreender a formação estelar e planetária, o papel que os campos magnéticos desempenham na formação do nosso Universo e a evolução química das galáxias. Alguns dos pontos muitos fracos e regiões escuras reveladas na imagem do SOFIA podem ajudar a planear alvos para os telescópios do futuro, como o Telescópio Espacial James Webb.

Astronomia On-line
10 de Janeiro de 2020

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3328: Astrónomos encontram buracos negros errantes e massivos em galáxias anãs

CIÊNCIA/ESPAÇO

Impressão de artista de uma galáxia anã, com a sua forma distorcida, provavelmente por uma interacção passada com outra galáxia, e um buraco negro massivo nos seus arredores (inserção). O buraco negro está a atrair material que forma um disco giratório e produz jactos de material expelidos para fora.
Crédito: Sophia Dagnello, NRAO/AUI/NSF

Os astrónomos que procuram aprender mais sobre os mecanismos que formaram os buracos negros massivos no início da história do Universo ganharam novas pistas importantes com a descoberta de 13 desses buracos negros em galáxias anãs a menos de mil milhões de anos-luz da Terra.

Estas galáxias anãs, mais de 100 vezes menos massivas do que a nossa própria Via Láctea, estão entre as galáxias mais pequenas que se sabem abrigar buracos negros gigantes. Os cientistas esperam que os buracos negros nestas galáxias pequenas tenham, em média, cerca de 400.000 vezes a massa do nosso Sol.

“Esperamos, ao estudar estes buracos negros e as suas galáxias, melhor compreender como buracos negros semelhantes no Universo primitivo se formaram e depois cresceram, através de fusões galácticas ao longo de milhares de milhões de anos, produzindo os buracos negros super-massivos que vemos hoje em galáxias maiores, com massas de milhões ou milhares de milhões de vezes a massa do Sol,” disse Amy Reines da Universidade Estatal do Montana, EUA.

Reines e colegas usaram o VLA (Karl G. Jansky Very Large Array) da NSF (National Science Foundation) para fazer a descoberta, que relataram na reunião da Sociedade Astronómica Americana em Honolulu, Hawaii.

Reines e colaboradores usaram o VLA para descobrir o primeiro buraco negro massivo numa galáxia anã com formação estelar explosiva em 2011. Essa descoberta foi uma surpresa para os astrónomos e estimulou uma pesquisa no rádio por mais.

Os cientistas começaram por seleccionar uma amostra de galáxias do Atlas NASA-Sloan, um catálogo de galáxias feito com telescópios ópticos. Depois, escolheram galáxias com estrelas que totalizavam menos de 3 mil milhões de vezes a massa do Sol, mais ou menos a massa da Grande Nuvem de Magalhães, uma pequena companheira da Via Láctea. A partir desta amostra, escolheram candidatos que também apareciam no levantamento FIRST (Faint Images of the Radio Sky at Twenty centimeters) do NRAO (National Radio Astronomy Observatory), realizado entre 1993 e 2011.

Usaram então o VLA para criar imagens novas, mais sensíveis e de alta resolução de 111 das galáxias seleccionadas.

“As novas observações do VLA revelaram que 13 destas galáxias têm fortes evidências de um enorme buraco negro que está a consumir activamente o material circundante. Ficámos muito surpresos ao descobrir que, em aproximadamente metade destas 13 galáxias, o buraco negro não está no centro da galáxia, ao contrário das galáxias maiores,” explicou reines.

Os cientistas disseram que isto indica que as galáxias provavelmente fundiram-se com outras no início da sua história. Isto é consistente com simulações de computador que preveem que aproximadamente metade dos buracos negros massivos nas galáxias anãs podem ser encontrados a vaguear nos arredores das suas galáxias.

“Este trabalho ensinou-nos que devemos ampliar as nossas buscas por buracos negros massivos em galáxias anãs para lá dos seus centros a fim de obter uma compreensão mais completa da população e aprender quais os mecanismos que ajudaram a formar os primeiros buracos negros massivos no início do Universo,” concluiu Reines.

Astronomia On-line
7 de Janeiro de 2020

spacenews

 

3327: A vida turbulenta de dois buracos negros super-massivos apanhados numa colisão galáctica

CIÊNCIA/ESPAÇO

A galáxia NGC 6240, vista pelo ALMA (topo) e pelo Telescópio Espacial Hubble (baixo). Na imagem ALMA, o gás molecular é azul e os buracos negros são os pontos vermelhos. A imagem ALMA fornece a visão mais detalhada do gás molecular em torno dos buracos negros nesta galáxia em fusão.
Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), E. Treister; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello; NASA/ESA Hubble

Uma equipa internacional de astrónomos usou o ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) para criar a imagem mais detalhada de sempre do gás em redor de dois buracos negros super-massivos numa galáxia em fusão.

A 400 milhões de anos-luz da Terra, na direcção da constelação de Ofiúco, duas galáxias estão a colidir entre si e a formar uma galáxia conhecida como NGC 6240. Esta galáxia de forma peculiar já foi observada muitas vezes, pois está relativamente perto. Mas NGC 6240 é complexa e caótica. A colisão entre as duas galáxias ainda está em andamento, trazendo com elas dois buracos negros super-massivos em crescimento que provavelmente se vão fundir num buraco negro ainda maior.

Para compreender o que está a acontecer em NGC 6240, os astrónomos querem observar em detalhe a poeira e o gás em redor dos buracos negros, mas as imagens anteriores não eram nítidas o suficiente para tal. Novas observações do ALMA aumentaram a resolução das imagens por um factor de dez – mostrando pela primeira vez a estrutura do gás frio na galáxia, mesmo dentro da esfera de influência dos buracos negros.

“A chave para entender esta sistema galáctico é o gás molecular,” explicou Ezequiel Treister da Pontificia Universidad Católica em Santiago, Chile. “Este gás é o combustível necessário para formar estrelas, mas também alimenta os buracos negros super-massivos, o que lhes permite crescer.”

A maior parte do gás está localizado numa região entre os dois buracos negros. Observações menos detalhadas, feitas anteriormente, haviam sugerido que este gás podia ser um disco giratório. “Não encontramos nenhuma evidência para isso,” disse Treister. “Ao invés, vemos um fluxo caótico de gás com filamentos e bolhas entre os buracos negros. Parte deste gás é expelido para fora com velocidades de até 500 km/s. Ainda não sabemos o que provocou estes fluxos.”

Outra razão para observar o gás com tanto detalhe é que este ajuda a determinar a massa dos buracos negros. “Os modelos anteriores, com base em estrelas circundantes, indicaram que os buracos negros eram muito mais massivos do que esperávamos, cerca mil milhões de vezes mais massivos que o Sol,” disse Anne Medling da Universidade de Toledo no estado norte-americano do Ohio. “Mas estas novas imagens do ALMA mostram, pela primeira vez, a quantidade de gás capturado dentro da esfera de influência dos buracos negros. Esta massa é significativa e, portanto, estimamos agora que as massas dos buracos negros são mais pequenas: cerca de algumas centenas de milhões de vezes a massa do nosso Sol. Com base nisto, pensamos que a maioria das medições anteriores de buracos negros em sistemas como este podem estar erradas em 5-90%.”

O gás também está mais próximo dos buracos negros do que os astrónomos esperavam. “Está localizado num ambiente muito extremo,” explicou Medling. “Acreditamos que eventualmente cairá no buraco negro ou será ejectado a altas velocidades.”

Os astrónomos não encontram evidências de um terceiro buraco negro na galáxia, que outra equipa afirmou recentemente ter descoberto. “Não vemos gás molecular associado a este terceiro núcleo reivindicado,” disse Treister. “Podia ser um enxame estelar local em vez de um buraco negro, mas precisamos de estudá-lo muito mais para dizer algo concreto sobre o objecto.”

A alta sensibilidade e resolução do ALMA são cruciais para aprender mais sobre os buracos negros super-massivos e o papel do gás nas galáxias em interacção. “Esta galáxia é tão complexa que nunca poderíamos saber o que está a acontecer no seu interior sem estas imagens rádio detalhadas,” disse Loreto Barcos-Muñoz do NRAO (National Radio Astronomy Observatory) em Charlottesville, Virgínia, EUA. “Agora temos uma melhor ideia da estrutura 3D da galáxia, o que nos dá a oportunidade de entender como as galáxias evoluem durante os últimos estágios de uma fusão. Daqui a algumas centenas de milhões de anos, esta galáxia parecerá completamente diferente.”

Astronomia On-line
7 de Janeiro de 2020

spacenews

 

3296: Surto violento de buraco negro fornece novas informações sobre a evolução de enxames galácticos

CIÊNCIA/ESPAÇO

Cavidades gigantes no meio intra-enxame em raios-X (a azul, observado pelo Observatório de raios-X Chandra) foram escavadas pelo surto de um buraco negro. Os dados em raios-X estão sobrepostos numa imagem óptica pelo Telescópio Espacial Hubble (em vermelho/laranja), onde a galáxia central que provavelmente contém o buraco negro super-massivo culpado é também visível.
Crédito: cortesia dos investigadores

Há milhares de milhões de anos, no centro de um enxame de galáxias muito longínquo (15 mil milhões de anos-luz, para sermos exactos; este valor é a distância própria, que é diferente do tempo de viagem da luz até nós), um buraco negro expeliu jactos de plasma. À medida que o plasma saía do buraco negro, empurrava material, criando duas cavidades a 180 graus uma da outra. Da mesma forma que podemos calcular a energia de um impacto de asteróide pelo tamanho da sua cratera, Michael Calzadilla, estudante no Instituto Kavli de Astrofísica e Investigação Espacial, usou o tamanho destas cavidades para descobrir o poder da explosão do buraco negro.

Num artigo publicado recentemente na revista The Astrophysical Journal Letters, Calzadilla e co-autores descrevem o surto no enxame galáctico SPT-CLJ0528-5300, ou SPT-0528 para abreviar. Combinando o volume e a pressão do gás deslocado com a idade das duas cavidades, foram capazes de calcular a energia total da explosão. Com uma energia superior a 1054 joules, uma força equivalente a mais ou menos 1038 bombas nucleares, esta é a erupção mais poderosa já relatada num enxame galáctico distante. Os co-autores do artigo incluem Matthew Bayliss e o professor assistente de física Michael McDonald, ambos do mesmo instituto.

O Universo está repleto de enxames de galáxias, colecções de centenas e até milhares de galáxias permeadas com gás quente e matéria escura. No centro de cada aglomerado, há um buraco negro que passa por períodos de alimentação, onde devora o plasma do enxame, seguidos por períodos de surtos explosivos, em que dispara jactos de plasma. “Este é um caso extremo da fase de explosão,” diz Calzadilla sobre a observação de SPT-0528. Embora a explosão tenha acontecido há milhares de milhões de anos, antes da formação do nosso Sistema Solar, a luz do enxame de galáxias demorou cerca de 6,7 mil milhões de anos até chegar ao Chandra, o observatório de raios-X da NASA que orbita a Terra.

Dado que os enxames de galáxias estão cheios de gás, as primeiras teorias previram que, à medida que o gás arrefecia, os enxames teriam altas taxas de formação estelar, formação esta que precisa de gás frio. No entanto, estes aglomerados não são tão frios como o previsto e, como tal, não estavam a produzir novas estrelas à taxa esperada. Algo estava a impedir que o gás arrefecesse completamente. Os culpados eram buracos negros super-massivos, cujas explosões de plasma mantêm o gás demasiado quente nos enxames de galáxias para a rápida formação de estrelas.

A explosão registada em SPT-0528 tem outra peculiaridade que a diferencia de outras explosões de buracos negros. É desnecessariamente grande. Os astrónomos veem o processo de arrefecimento do gás e libertação de gás quente dos buracos negros como um equilíbrio que mantém a temperatura no enxame de galáxias – que ronda os 10 milhões de graus Celsius – estável. “É como um termostato,” diz McDonald. A explosão de SPT-0528, no entanto, não está em equilíbrio.

De acordo com Calzadilla, se determinarmos a quantidade de energia libertada à medida que o gás arrefece para o buraco negro vs. a quantidade de energia contida na explosão, esta última é largamente superior. Na analogia de McDonald, a explosão de SPT-0528 é um termostato com defeito. “É como se arrefecêssemos o ar 2 graus e a resposta do termostato seria aquecer a sala 100 graus,” explicou McDonald.

No início de 2019, McDonald e colegas divulgaram um artigo que analisava um enxame de galáxias diferente, que exibe um comportamento completamente oposto ao de SPT-0528. Em vez de uma explosão desnecessariamente violenta, o buraco negro neste enxame, o Enxame da Fénix, não é capaz de impedir o arrefecimento do gás. Ao contrário de todos os outros enxames galácticos conhecidos, o da Fénix está repleto de berçários estelares, o que o diferencia da maioria dos enxames de galáxias.

“Com estes dois enxames de galáxias, estamos realmente a olhar para os limites do que é possível nos dois extremos,” diz McDonald acerca do enxame SPT-0528 e do Enxame da Fénix. Ele e Calzadilla também vão caracterizar enxames de galáxias mais normais, a fim de entender a evolução dos aglomerados de galáxias ao longo do tempo cósmico. Para explorar isto, Calzadilla está a caracterizar 100 enxames de galáxias.

A razão para a caracterização de uma colecção tão grande de enxames galácticos é porque cada imagem telescópica captura os enxames num momento específico no tempo, enquanto os seus comportamentos ocorrem ao longo do tempo cósmico. Estes aglomerados cobrem uma variedade de distâncias e idades, permitindo que Calzadilla investigue como as propriedades dos enxames mudam ao longo do tempo cósmico. “Estas são escalas de tempo muito maiores do que uma escala humana ou que podemos observar,” explica Calzadilla.

A investigação é semelhante à de um paleontólogo que tenta reconstruir a evolução de um animal a partir de um registo fóssil esparso. Mas, em vez de ossos, Calzadilla está a estudar enxames de galáxias, variando de SPT-0528 (com a sua violenta explosão de plasma) numa extremidade até ao Enxame da Fénix (com o seu rápido arrefecimento) na outra. “Estamos a observar diferentes instantâneos no tempo,” diz Calzadilla. “Se construirmos amostras suficientemente grandes de cada um destes instantâneos, podemos ter uma noção de como um enxame de galáxias evolui.”

Astronomia On-line
31 de Dezembro de 2019

 

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3270: Os buracos negros “comiam” nuvens geladas ao pequeno almoço (e é por isso que cresceram tanto)

CIÊNCIA

Josh Valenzuela / Universidade do Novo México

Utilizando o Very Large Telescope, no Chile, uma equipa de astrónomos observaram reservatórios de gás frio em redor de algumas das primeiras galáxias do Universo.

Estes halos de gás são o alimento perfeito para os buracos negros super-massivos, situados no centro destas galáxias que agora se vem como eram há mais de 12.500 milhões de anos. Esta reserva de alimento pode explicar como é que os buracos negros cresceram tão rápido durante o período da história do Universo conhecido como Amanhecer Cósmico.

“Agora podemos demonstrar, pela primeira vez, que as galáxias primordiais têm comida suficiente à sua volta para manter tanto o crescimento dos buracos negros super-massivos como a intensa formação de estrelas”, afirmou Emanuele Paolo Farina, autor do estudo e investigador no Instituto Max Planck de Astronomia de Heidelberg, na Alemanha, em comunicado. “Isto acrescenta uma peça fundamental ao quebra-cabeças que os astrónomos estão a montar para descrever como as estruturas cósmicas se formaram há mais de doze mil milhões de anos”.

Os primeiros buracos negros, que podem ter-se formado a partir do colapso das primeiras estrelas, devem ter crescido muito rápido. No entanto, até agora, não se haviam detectado os “alimentos” destes buracos em suficiente quantidade para explicar o crescimento.

Observações anteriores tinham revelado uma grande quantidade de poeira e gás nas primeiras galáxias que alimentaram a rápida formação de estrelas, o que sugeriram que haveria poucas sobras para alimentar um buraco negro.

Para resolver o mistério, Farina e osseus colegas usaram o instrumento MUSE, instalado no Very Large Telescope (VLT) do ESO, no deserto chileno de Atacama, para estudar quasares, objectos extremamente brilhantes alimentados por buracos negros super-massivos encontrados no centro de galáxias massivas. Foram estudados 31 quasares, vistos há mais de 12.500 milhões de anos, numa época em que o universo ainda era um bebé e tinha apenas 870 milhões de anos.

De acordo com o estudo publicado na revista científica The Astrophysical Journal, os astrónomos descobriram que 12 dos quasares estudados estavam cercados por enormes reservatórios de gás: halos de gás hidrogénio frio e denso que se estendem por 100 mil anos-luz dos buracos negros centrais e com milhares de milhões de vezes a massa do Sol.

A equipa descobriu que os halos de gás estavam intimamente ligados às galáxias, fornecendo a fonte de alimento perfeita para manter o crescimento de buracos negros super-massivos e intensa formação de estrelas.

No futuro, o ELT (Extremely Large Telescope) do ESO ajudará os cientistas a revelar ainda mais detalhes sobre galáxias e buracos negros super-massivos nos primeiros dois milhares de milhões de anos após o Big Bang

ZAP //

Por ZAP
26 Dezembro, 2019

 

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Observações do ESO revelam “pequeno almoço” de buracos negros na madrugada cósmica

CIÊNCIA

Esta imagem mostra um dos halos de gás recentemente observados pelo instrumento MUSE, montado no VLT (Very Large Telescope) do ESO, sobreposto a uma imagem mais antiga de uma fusão de galáxias vista pelo ALMA. O enorme halo de hidrogénio gasoso está a azul e os dados do ALMA encontram-se a laranja.
O halo está ligado à galáxia, a qual contém um quasar no seu centro. O hidrogénio gasoso, de brilho ténue, é a fonte de “alimento” perfeita para o buraco negro super-massivo situado no centro do quasar.
Os objectos da imagem encontram-se a um desvio para o vermelho de 6,2, o que significa que os vemos tal como eram há 12,8 mil milhões de anos atrás. Apesar dos quasares serem muito brilhantes, os reservatórios de gás que os circundam são muito mais difíceis de observar. Ainda assim, o MUSE conseguiu detectar o brilho ténue do hidrogénio gasoso nos halos, permitindo aos astrónomos descobrir finalmente estes depósitos de “comida” que alimentavam os buracos negros super-massivos no Universo primitivo.
Crédito: ESO/Farina et al.; ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Decarli et al.

Com o auxílio do VLT (Very Large Telescope) do ESO, os astrónomos observaram reservatórios de gás frio em torno de algumas das galáxias mais primordiais do Universo. Estes halos de gás são o “alimento” perfeito dos buracos negros super-massivos situados no centro destas galáxias, as quais observamos tal como eram há cerca de 12,5 mil milhões de anos atrás. Este depósito de “comida” pode muito bem explicar como é que estes monstros cósmicos cresceram tão depressa durante um período da história do Universo conhecido por Madrugada Cósmica.

“Podemos demonstrar pela primeira vez que as galáxias primordiais dispõem de ‘alimento’ suficiente nas suas vizinhanças para conseguirem fazer com que os buracos negros super-massivos nos seus centros cresçam ao mesmo tempo que mantêm uma formação estelar intensa,” diz Emanuele Paolo Farina, do Instituto Max Planck de Astronomia em Heidelberg, na Alemanha, que liderou o trabalho de investigação publicado na revista da especialidade The Astrophysical Journal. “Juntámos assim uma peça fundamental ao puzzle que os astrónomos estão a construir para compreender como é que as estruturas cósmicas se formaram há mais de 12 mil milhões de anos atrás.”

Os astrónomos perguntavam-se como é que os buracos negros super-massivos conseguiam crescer tanto tão cedo na história do Universo. “A presença destes monstros primordiais, com massas de vários milhares de milhões de vezes a massa do Sol, constituía um mistério,” diz Farina, também afiliado ao Instituto Max Planck de Astrofísica em Garching bei München, na Alemanha. Isto significa que os primeiros buracos negros, que se devem ter formado do colapso das primeiras estrelas, cresceram muito depressa. No entanto, e até agora, os astrónomos não tinham descoberto “comida de buraco negro” — ou seja, gás e poeira — em quantidades suficientemente elevadas para explicar este crescimento tão rápido.

Para complicar ainda mais a situação, observações obtidas anteriormente com o ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) revelaram uma enorme quantidade de poeira e gás nestas galáxias primordiais, mas que parecia desencadear essencialmente formação estelar muito intensa, sugerindo que poderia restar muito pouco material para alimentar um buraco negro.

Para desvendar este mistério, Farina e colegas usaram o instrumento MUSE montado no Very Large Telescope do ESO (VLT), instalado no deserto chileno do Atacama, para estudar quasares — objectos extremamente luminosos situados no centro de galáxias massivas e alimentados por buracos negros super-massivos. Este estudo observou 31 quasares vistos tal como eram há mais de 12,5 mil milhões de anos atrás, numa altura em que o Universo era ainda muito jovem, com apenas 870 milhões de anos de idade. Trata-se de uma das maiores amostras de quasares tão primordiais na história do Universo a serem estudadas.

Os astrónomos descobriram que 12 destes quasares encontram-se rodeados por enormes reservatórios de gás: halos de hidrogénio gasoso denso e frio que se estendem até 100.000 anos-luz de distância dos buracos negros centrais, com milhares de milhões de massas solares. A equipa descobriu também que estes halos de gás se encontram fortemente ligados às galáxias, fornecendo-lhes assim uma fonte de “alimento” perfeita para manter tanto o crescimento do buraco negro como uma formação estelar intensa.

Este trabalho foi possível graças à extrema sensibilidade do instrumento MUSE (Multi Unit Spectroscopic Explorer) montado no VLT do ESO, o qual Farina descreve como “decisivo” no estudo de quasares. “Com apenas algumas horas de observação por alvo, conseguimos investigar os arredores dos maiores e mais esfomeados buracos negros presentes no Universo primordial,” acrescenta Farina. Apesar dos quasares serem muito brilhantes, os reservatórios de gás que os circundam são muito mais difíceis de observar. Ainda assim, o MUSE conseguiu detectar o brilho ténue do hidrogénio gasoso nos halos, permitindo aos astrónomos descobrir finalmente estes depósitos de “comida” que alimentavam os buracos negros super-massivos no Universo primitivo.

Num futuro próximo, o Extremely Large Telescope (ELT) do ESO ajudará os cientistas a revelar ainda mais detalhes sobre as galáxias e os buracos negros super-massivos nos dois primeiros milhares de milhões de anos após o Big Bang. “Com o ELT poderemos observar ainda mais profundamente o Universo primordial e descobrir muitas mais destas nebulosas de gás,” conclui Farina.

Astronomia On-line
24 de Dezembro de 2019

 

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3237: Revista Science elege primeira imagem real de um buraco negro como avanço científico do ano

CIÊNCIA

EHT Collaboration

A revista Science elegeu a primeira imagem real de um buraco negro, revelada a 10 de Abril, como o avanço científico de 2019.

A Science elegeu a primeira imagem real de um buraco negro como o avanço científico de 2019, no qual esteve envolvido o astrofísico português Hugo Messias.

Justificando a escolha, o editor de notícias da revista, Tim Appenzeller, disse, citado num comunicado divulgado esta quinta-feira, que se trata de “um feito surpreendente da tecnologia e de uma equipa” de cientistas. O feito foi distinguido em Novembro, nos Estados Unidos, com o Prémio Breakthrough, no valor de 2,7 milhões de euros.

A imagem da silhueta do buraco negro, situado no centro da galáxia Messier 87, na constelação Virgem, a 55 milhões de anos-luz da Terra, foi obtida graças a uma rede de oito radiotelescópios em várias partes do mundo. Hugo Messias, investigador do Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço, participou nas observações a partir do Chile, com o radiotelescópio ALMA.

Até à divulgação da imagem da sombra deste corpo denso, do qual nem a luz escapa, só havia imagens artísticas de buracos negros.

Na imagem, o buraco negro, que tem uma massa 6,5 milhões de vezes superior à do Sol, surge envolto por um anel de gás quente e luminoso – matéria incandescente no estado de plasma.

“O diâmetro do anel revela que no interior existe um corpo extremamente ‘massivo’. Não só isso, mas pela assimetria, por essa morfologia ter permanecido igual ao longo da campanha de observação e pela existência de um jacto a sair das suas redondezas”, explicou anteriormente à Lusa Hugo Messias, assinalando que o objecto “está a rodar no mesmo sentido que a matéria incandescente em volta”.

A sombra do buraco negro é o mais próximo do buraco negro em si que é possível captar em imagem, uma vez que este é um corpo denso e totalmente escuro e, portanto, não se vê.

O termo buraco é enganoso, pois não existe qualquer buraco. O que se passa é que “qualquer matéria que se aproxime para lá da última órbita de fotões [partículas de luz] não regressará, dando a impressão que caiu para um poço sem fundo”, esclareceu Hugo Messias.

Ao todo, mais de 300 cientistas de diversos países estiveram mobilizados nas observações e no tratamento de dados. A “fotografia” foi obtida a partir de dados recolhidos em 2017 das observações feitas no comprimento de onda rádio.

Além de inédita, a imagem permitiu comprovar mais uma vez a Teoria da Relatividade Geral, de 1915, do físico Albert Einstein, que postula que a presença de buracos negros, os objectos cósmicos mais extremos do Universo, deforma o espaço-tempo e sobreaquece o material em seu redor.

O buraco negro foi baptizado de Powehi. A palavra – que tem raízes em “Kumulipo”, o poema épico da antiga religião havaiana – significa “a obscura fonte embelezada da criação infinita” e foi proposta pelo professor de línguas da Universidade do Havaí em Hilo, nos Estados Unidos, Larry Kimura.

Em comunicado, a instituição explica que o objecto espacial foi baptizado com um nome havaiano porque dois dos telescópios que foram utilizados para a descoberta localizam-se no território deste estado norte-americano.

A revelação da “foto” permitirá aprofundar a investigação sobre a natureza dos buracos negros, que “habitam” os centros das galáxias, e perceber melhor como as galáxias se formaram.

ZAP // Lusa

Por ZAP
20 Dezembro, 2019

 

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3217: Giant Black Hole at the Center of Our Galaxy May Have a Friend

SCIENCE

Two black holes merge, generating gravitational waves.
(Image: © Shutterstock)

Do supermassive black holes have friends? The nature of galaxy formation suggests that the answer is yes, and in fact, pairs of supermassive black holes should be common in the universe.

I am an astrophysicist and am interested in a wide range of theoretical problems in astrophysics, from the formation of the very first galaxies to the gravitational interactions of black holes, stars and even planets. Black holes are intriguing systems, and supermassive black holes and the dense stellar environments that surround them represent one of the most extreme places in our universe.

The supermassive black hole that lurks at the center of our galaxy, called Sgr A*, has a mass of about 4 million times that of our Sun. A black hole is a place in space where gravity is so strong that neither particles or light can escape from it. Surrounding Sgr A* is a dense cluster of stars. Precise measurements of the orbits of these stars allowed astronomers to confirm the existence of this supermassive black hole and to measure its mass. For more than 20 years, scientists have been monitoring the orbits of these stars around the supermassive black hole. Based on what we’ve seen, my colleagues and I show that if there is a friend there, it might be a second black hole nearby that is at least 100,000 times the mass of the Sun.

At the center of our galaxy is a supermassive black hole in the region known as Sagittarius A. It has a mass of about 4 million times that of our sun. (Image credit: ESA–C. Carreau)

Supermassive black holes and their friends

Almost every galaxy, including our Milky Way, has a supermassive black hole at its heart, with masses of millions to billions of times the mass of the Sun. Astronomers are still studying why the heart of galaxies often hosts a supermassive black hole. One popular idea connects to the possibility that supermassive holes have friends.

To understand this idea, we need to go back to when the universe was about 100 million years old, to the era of the very first galaxies. They were much smaller than today’s galaxies, about 10,000 or more times less massive than the Milky Way. Within these early galaxies the very first stars that died created black holes, of about tens to thousand the mass of the Sun. These black holes sank to the center of gravity, the heart of their host galaxy. Since galaxies evolve by merging and colliding with one another, collisions between galaxies will result in supermassive black hole pairs — the key part of this story. The black holes then collide and grow in size as well. A black hole that is more than a million times the mass of our son is considered supermassive.

If indeed the supermassive black hole has a friend revolving around it in close orbit, the center of the galaxy is locked in a complex dance. The partners’ gravitational tugs will also exert its own pull on the nearby stars disturbing their orbits. The two supermassive black holes are orbiting each other, and at the same time, each is exerting its own pull on the stars around it.

The gravitational forces from the black holes pull on these stars and make them change their orbit; in other words, after one revolution around the supermassive black hole pair, a star will not go exactly back to the point at which it began.

Using our understanding of the gravitational interaction between the possible supermassive black hole pair and the surrounding stars, astronomers can predict what will happen to stars. Astrophysicists like my colleagues and me can compare our predictions to observations, and then can determine the possible orbits of stars and figure out whether the supermassive black hole has a companion that is exerting gravitational influence.

Using a well-studied star, called S0-2, which orbits the supermassive black hole that lies at the center of the galaxy every 16 years, we can already rule out the idea that there is a second supermassive black hole with mass above 100,000 times the mass of the Sun and farther than about 200 times the distance between the Sun and the Earth. If there was such a companion, then I and my colleagues would have detected its effects on the orbit of SO-2.

But that doesn’t mean that a smaller companion black hole cannot still hide there. Such an object may not alter the orbit of SO-2 in a way we can easily measure.

The physics of supermassive black holes

The first image of a black hole. This is the supermassive black hole at the center of the galaxy M87. (Image credit: Event Horizon Telescope Collaboration)

Supermassive black holes have gotten a lot of attention lately. In particular, the recent image of such a giant at the center of the galaxy M87 opened a new window to understanding the physics behind black holes.

The proximity of the Milky Way’s galactic center — a mere 24,000 light-years away — provides a unique laboratory for addressing issues in the fundamental physics of supermassive black holes. For example, astrophysicists like myself would like to understand their impact on the central regions of galaxies and their role in galaxy formation and evolution. The detection of a pair of supermassive black holes in the galactic center would indicate that the Milky Way merged with another, possibly small, galaxy at some time in the past.

That’s not all that monitoring the surrounding stars can tell us. Measurements of the star S0-2 allowed scientists to carry out a unique test of Einstein’s general theory of relativity. In May 2018, S0-2 zoomed past the supermassive black hole at a distance of only about 130 times the Earth’s distance from the Sun. According to Einstein’s theory, the wavelength of light emitted by the star should stretch as it climbs from the deep gravitational well of the supermassive black hole.

The stretching wavelength that Einstein predicted — which makes the star appear redder — was detected and proves that the theory of general relativity accurately describes the physics in this extreme gravitational zone. I am eagerly awaiting the second closest approach of S0-2, which will occur in about 16 years, because astrophysicists like myself will be able to test more of Einstein’s predictions about general relativity, including the change of the orientation of the stars’ elongated orbit. But if the supermassive black hole has a partner, this could alter the expected result.

Finally, if there are two massive black holes orbiting each other at the galactic center, as my team suggests is possible, they will emit gravitational waves. Since 2015, the LIGO-Virgo observatories have been detecting gravitational wave radiation from merging stellar-mass black holes and neutron stars. These groundbreaking detections have opened a new way for scientists to sense the universe.

Any waves emitted by our hypothetical black hole pair will be at low frequencies, too low for the LIGO-Virgo detectors to sense. But a planned space-based detector known as LISA may be able to detect these waves which will help astrophysicists figure out whether our galactic center black hole is alone or has a partner.

This article was originally published at The Conversation. The publication contributed the article to Live Science’s Expert Voices: Op-Ed & Insights.

By Smadar Naoz – Associate Professor of Physics & Astronomy, UCLA
16/12/2019

 

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3186: Um novo método de medir buracos negros

CIÊNCIA

Mapa que mostra o agrupamento de galáxias com buracos negros activos criado com o Astera, uma ferramenta de visualização cósmica desenvolvida na Universidade de Southampton.
Crédito: Chris Marsden

Os buracos negros super-massivos são os maiores buracos negros, com massas que podem exceder mil milhões de sóis. Apenas esta primavera foi divulgada a primeira imagem do buraco negro super-massivo no centro da galáxia M87, e os investigadores recentemente avistaram o maior buraco negro super-massivo conhecido. Apesar destes esforços inovadores, descobrir como esses buracos negros moldam e estruturam uma galáxia continua a ser um desafio, porque a maioria delas está demasiada longe para os telescópios actuais as resolverem com precisão.

Um estudo publicado na Nature Astronomy descreve uma nova maneira de “pesar” buracos negros super-massivos no centro das galáxias usando galáxias vizinhas como representantes. A investigação foi uma colaboração global envolvendo investigadores de instituições do Reino Unido, Itália, Alemanha, Chile e Estados Unidos.

A obtenção de uma estimativa precisa da massa de um buraco negro super-massivo é geralmente feita medindo a velocidade da poeira e do gás que gira em seu redor. Isto requer telescópios extremamente sensíveis usando uma análise complexa e só pode ser feito para buracos negros grandes o suficiente para serem resolvidos relativamente perto da Terra. No entanto, se esta massa estiver correlacionada com outras propriedades da galáxia hospedeira, aquelas que podem ser medidas mesmo quando o buraco negro é mais pequeno ou está mais distante, é possível usar estas outras propriedades como “representantes” da massa.

No entanto, como explica Mariangela Bernardi da Universidade da Pensilvânia, EUA: “Percebemos que existe um viés na amostra vizinha usada para calibrar as massas. Os objectos para os quais actualmente podemos medir massas não parecem ser típicos. O nosso trabalho sugeriu que os buracos negros super-massivos não são, em média, tão grandes quanto se pensava anteriormente.”

Para verificar esta diferença de massa, os cientistas desenvolveram uma maneira nova e muito diferente de estimar as massas dos buracos negros. Usaram o facto de que, enquanto um buraco negro é cercado pela sua galáxia hospedeira, a própria galáxia é cercada por um “halo” ainda maior de matéria escura. Sabe-se que galáxias cercadas por halos mais massivos se agrupam com outras galáxias grandes e massivas. Como existem buracos negros mais massivos em galáxias mais massivas com halos mais massivos, a força deste agrupamento na verdade “pesa” os halos de matéria escura e, por conseguinte, as massas dos buracos negros nos seus centros.

Esta nova medição também sugere que os buracos negros super-massivos são menos massivos do que se pensava anteriormente e podem explicar por que é que algumas experiências em andamento não produziram os resultados esperados. Como exemplo, os pulsares, remanescentes de estrelas que explodiram, brilham como faróis que giram centenas de vezes por segundo. A luz dos pulsares é emitida em intervalos incrivelmente curtos e regulares, à medida que o feixe varre a Terra repetidamente. Os investigadores estão actualmente à procura de ondas gravitacionais produzidas pela colisão de dois buracos negros super-massivos, que devem fazer com que estes feixes oscilem na direcção da Terra e para longe da Terra, à medida que a onda passa e afeta o campo dos pulsos.

Como as mudanças esperadas ainda não foram vistas, diz Ravi Sheth, também da mesma universidade norte-americana, “as pessoas estavam a começar a ficar preocupadas com a possibilidade de que talvez a gravidade fosse estranha, ou talvez não compreendêssemos completamente a física das fusões que formam ondas gravitacionais. Mas se as verdadeiras massas dos buracos negros forem menores do que se pensava, então as ondas gravitacionais previstas seriam mais fracas, dificultando a detecção das mudanças no ‘timing’ do pulsar.”

Nos próximos 10 anos, espera-se que novos telescópios sejam capazes de obter medições de massa mais precisas para buracos negros e proporcionem uma oportunidade para os investigadores testarem o seu novo método em conjuntos maiores de dados. Instalações como o ELT (Extremely Large Telescope), com 39 metros, com conclusão para 2025, podem permitir que os cientistas meçam buracos negros mais pequenos e mais distantes e as suas galáxias hospedeiras directamente.

“Estas descobertas têm implicações significativas para a nossa compreensão da evolução e crescimento dos buracos negros super-massivos,” diz o autor principal Francesco Shankar. Bernardi acrescenta que este trabalho também permitirá que os cientistas estudem mais detalhadamente a ligação entre o crescimento dos buracos negros super-massivos e a evolução das galáxias.

Astronomia On-line
13 de Dezembro de 2019

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3176: Estrelas mortas estão a explodir em todo o Universo (e a matéria escura pode ser a culpada)

CIÊNCIA

Estrelas mortas estão a explodir em todo o Universo e não sabemos porquê. No entanto, agora, dois investigadores consideram que minúsculos buracos negros feitos de matéria escura podem ser os culpados.

Um par de cientistas, Joseph Bramante e Javier Acevedo, da Universidade Queen, têm uma nova teoria sobre o que pode fazer explodir estrelas mortas, ou seja, anãs brancas, transformando-as em super-novas.

O gatilho oculto que desencadeia a reacção em cadeia destrutiva, segundo sugere a equipa, pode ser um minúsculo buraco negro feito de matéria escura que cresce no núcleo da estrela, de acordo com a New Scientist.

Os astrónomos observaram estrelas anãs brancas – os cadáveres de estrelas demasiado pequenas para serem super-novas – a detonar, mas não conseguiram desenvolver modelos que explicassem o porquê. O novo estudo, publicado em Agosto na revista científica Physical Review D, preenche o gatilho que faltava.

A dupla fez uma simulação no computador do que aconteceria se matéria escura encontrasse uma anã branca com entre 1 e 1,4 vezes o tamanho do sol. Anãs brancas maiores devem ter suficiente pressão interna para criar um buraco negro.

Bramante e Acevedo consideram que a matéria escura, quando entra na anã branca a cerca de 1% da velocidade da luz, é muito mais quente do que o material que faz a estrela. Após a reacção da matéria escura e da matéria na estrela, a matéria escura deve arrefecer e acumular-se no centro.

Assim, a matéria escura – a substância misteriosa e invisível que compõe a maior parte da matéria no universo – acumula-se no centro de uma anã branca até que esta chegue ao limite, entrando em colapso, desmoronando-se e explodindo.

“O segredo das super-novas é que, nos modelos de computador, nunca conseguimos que façam a ignição final”, disse, em declarações ao New Scientist, a astrofísica da Universidade de Charleston, Ashley Pagnotta, que não trabalhou no estudo. “Tem de haver sempre um gatilho injectado.”

Os investigadores não têm certeza de como poderiam confirmar a sua ideia, porque os cientistas ainda não descobriram como observar a matéria escura. Fazer isso durante uma super-nova seria ainda mais difícil. “Seria algo como o tamanho de um protão, mas ainda é extremamente massivo”, disse Joseph Bramante ao mesmo jornal.

Tanto a matéria escura como a antimatéria têm tirado o sono aos cientistas. O mundo em que vivemos é apenas feito de matéria, apesar de o Big Bang dever ter criado quantidades iguais de matéria e antimatéria.

Em relação à matéria escura – que compõe cerca de 80% de toda a matéria do Universo – as observações astronómicas mostram que uma massa desconhecida está a influenciar as órbitas das estrelas nas galáxias, mas ninguém foi capaz de determinar as propriedades microscópicas exactas destas partículas. Aliás, só sabemos da existência da matéria escura devido ao efeito gravitacional que causa na matéria visível, denunciando o seu “rastro”.

Há alguns cientistas que defendem que a matéria escura é composta por uma partícula elementar hipotética – o axião – que desempenha um papel importante para explicar os misteriosos “buracos” no Modelo Padrão da Física de Partículas.

ZAP //

Por ZAP
11 Dezembro, 2019

spacenews

 

3150: Peso-pesado no coração da galáxia central do enxame Abell 85

CIÊNCIA

Imagem do enxame de galáxias Abell 85 obtida no Observatório Wendelstein da Universidade Ludwig-Maximilians em Munique. A brilhante galáxia central Holm 15A tem um núcleo estendido. Uma equipa de astrónomos do Instituto Max Planck para Física Extraterrestre e do Observatório da Universidade de Munique foi capaz de usar novos dados para medir directamente a massa do buraco negro central desta galáxia: tem 40 mil milhões de vezes a massa do nosso Sol.
Crédito: Matthias Kluge/USM/MPE

No espaço, os buracos negros têm diferentes tamanhos e massas. O recorde é agora detido por um tal objecto no enxame de galáxias Abell 85, onde um buraco negro ultra-massivo com 40 mil milhões de vezes a massa do Sol fica no meio da galáxia central Holm 15A. Os astrónomos do grupo de investigação de Ralf Bender, no Instituto Max Planck para Física Extraterrestre e no Observatório da Universidade Ludwig-Maximilians em Munique, descobriram-no analisando dados fotométricos e novas observações espectrais com o VLT (Very Large Telescope).

Embora a galáxia central do enxame Abell 85 tenha uma enorme massa visível de aproximadamente 2 biliões de massas solares em estrelas, o centro da galáxia é extremamente difuso e ténue. É por isso que um grupo de astrónomos do Instituto Max Planck para Física Extraterrestre e do Observatório da Universidade Ludwig-Maximilians em Munique se interessou pela galáxia. Esta região difusa central na galáxia é quase tão grande quanto a Grande Nuvem de Magalhães, e esta era uma pista suspeita da presença de um buraco negro com uma massa muito alta.

O enxame de galáxias Abell 85, que consiste em mais de 500 galáxias individuais, está a uma distância de 700 milhões de anos-luz da Terra, o dobro da distância para medições directas anteriores da massa de buracos negros. “Existem apenas algumas dúzias de medições directas da massa de buracos negros super-massivos, e nunca antes foi tentada a uma distância tão grande,” explica o cientista Jens Thomas, que liderou o estudo. “Mas nós já tínhamos uma ideia do tamanho do buraco negro nesta galáxia em particular, de modo que tentámos.”

Os novos dados obtidos no Observatório Wendelstein da Universidade Ludwig-Maximilians em Munique e com o instrumento MUSE no VLT permitiram à equipa realizar uma estimativa da massa baseada directamente nos movimentos estelares em redor do núcleo da galáxia. Com uma massa de 40 mil milhões de massas solares, este é o buraco negro mais massivo conhecido hoje no Universo local. “É várias vezes maior do que o esperado a partir de medições indirectas, como a massa estelar ou a dispersão da velocidade das estrelas,” observa Roberto Saglia, cientista sénior do Instituto Max Planck para Física Extraterrestre e professor na Universidade Ludwig-Maximilians.

O perfil de luz da galáxia mostra um centro com um brilho superficial extremamente baixo e muito difuso, muito mais ténue do que outras galáxias elípticas. “O perfil de luz no núcleo interno é também muito plano,” explica o estudante de doutoramento Kianusch Mehrgan, que realizou parte da análise dos dados. “Isto significa que a maioria das estrelas no centro deve ter sido expulsa devido a interacções durante fusões anteriores.”

Na visão mais aceite, os núcleos destas galáxias elípticas tão massivas formam-se por meio de uma fusão entre duas galáxias, onde as interacções gravitacionais da fusão dos seus buracos negros super-massivos levam a “fisgas” gravitacionais que expelem estrelas em órbitas predominantemente radiais do centro da galáxia remanescente. Se não existir gás no centro para formar novas estrelas – como nas galáxias mais jovens – isto leva a um núcleo esgotado.

“A mais recente geração de simulações por computador de fusões galácticas deu-nos previsões que, de facto, correspondem bastante bem às propriedades observadas,” afirma Jens Thomas, que também forneceu os modelos dinâmicos. “Estas simulações incluem interacções entre estrelas e um buraco negro binário, mas o ingrediente crucial são duas galáxias elípticas que já possuem núcleos empobrecidos. Isto significa que a forma do perfil de luz e as trajectórias das estrelas contêm informações arqueológicas valiosas sobre as circunstâncias específicas da formação do núcleo nesta galáxia – bem como noutras galáxias muito massivas.”

No entanto, mesmo com esta história invulgar de fusão, os cientistas podem estabelecer uma nova e robusta relação entre a massa do buraco negro e o brilho superficial da galáxia: o buraco negro ganha massa a cada fusão e o centro da galáxia perde estrelas. Os astrónomos podem usar esta relação para estimar a massa de buracos negros em galáxias mais distantes, onde medições diretas dos movimentos estelares próximos o suficiente do buraco negro não são possíveis.

Astronomia On-line
6 de Dezembro de 2019

spacenews

 

3139: Físico constrói calculadora para mostrar o que aconteceria se a Terra colidisse com um buraco negro

CIÊNCIA

(PD/CC0) Comfreak / pixabay

Se o planeta Terra atingisse um buraco negro seria catastrófico em termos de danos? Um nova ferramenta online calcula o nível de destruição.

A Calculadora de Colisão de Buracos Negros determina o nível de expansão de um buraco negro e a quantidade de energia libertada se este absorvesse o nosso planeta – ou outro objecto qualquer, uma vez que esta ferramenta é totalmente personalizável.

Álvaro Díez, um estudante de física de partículas da Polónia, criou esta ferramenta, que está hospedada no projecto Omni Calculator. Com base nos seus cálculos, se um buraco negro engolisse a Terra libertaria 32.204.195.564.497.649.676.480.000.000.000.000 megajoules de energia, cerca de 54 quatriliões o consumo anual de energia de todo o planeta.

Ainda assim, o nosso planeta não afectaria a aparência do cenário ao redor de um buraco negro super-massivo. Sagittarius A*, o buraco negro que mora no coração da Via Láctea, tem cerca 4 milhões de vezes a massa do Sol. Se a Terra fosse engolida por este buraco negro, o horizonte de eventos – o ponto próximo ao buraco negro de onde nada, nem mesmo a luz, consegue escapar – aumentaria em meros 0,00000000007281%.

No entanto, se tivéssemos um encontro inesperado com um buraco negro menor, com “apenas” 20 massas solares, a diferença que causaríamos no horizonte de eventos seria maior – 0,000014562%.

Esta calculadora permite escolher não apenas os efeitos da colisão da Terra com um buraco negro, como também estimar colisões com outros objectos massivos, incluindo estrelas.

A probabilidade de sermos devorados por um buraco negro não deve ser totalmente descartada. Ainda assim, podemos ficar tranquilos em relação a este evento catastrófico durante os próximos milhares de milhões de anos.

A melhor possibilidade de este evento cataclísmico acontecer será quando houver uma colisão entre a Via Láctea e a galáxia de Andrómeda, prevista para daqui a 4 mil milhões de anos.

ZAP // CanalTech

Por ZAP
4 Dezembro, 2019

spacenews

 

Buraco negro “alimenta” bebés estelares a um milhão de anos-luz

CIÊNCIA

Esta imagem contém um buraco negro que está a despoletar formação estelar à maior distância alguma vez vista. À medida que o gás gira em torno do buraco negro, emite grandes quantidades de raios-X que o Chandra detecta. O buraco negro é também a fonte de emissão de ondas de rádio de um jacto de partículas altamente energéticas – anteriormente detectadas pelos cientistas com o VLA – que alcança um milhão de anos-luz. Os astrónomos descobriram que este buraco negro e o jacto são responsáveis por aumentar o ritmo de formação estelar em galáxias recém-descobertas.
Crédito: raios-X – NASA/CXC/INAF/R. Gilli et al.; rádio – NRAO/VLA; ótico – NASA/STScI

Os buracos negros são famosos por rasgar objectos astronómicos, incluindo estrelas. Mas agora, os astrónomos descobriram um buraco negro que pode ter provocado os nascimentos de estrelas a uma distância incompreensível e através de várias galáxias.

Se confirmada, esta descoberta, feita com o Observatório de raios-X Chandra da NASA e outros telescópios, representaria o maior alcance já visto para um buraco negro que age como “gatilho” estelar. O buraco negro parece ter melhorado a formação estelar a mais de um milhão de anos-luz de distância.

“Esta é a primeira vez que vimos um único buraco negro aumentar o nascimento estelar em mais de uma galáxia,” disse Roberto Gilli do INAF (Instituto Nacional de Astrofísica) em Bolonha, Itália, autor principal do estudo que descreve a descoberta. “É incrível pensar que o buraco negro de uma galáxia pode ter alguma influência no que acontece noutras galáxias a triliões de quilómetros de distância.”

Um buraco negro é um objecto extremamente denso do qual nenhuma luz pode escapar. A imensa gravidade do buraco negro atrai gás e poeira, mas partículas de uma pequena quantidade desse material também podem ser catapultadas para longe quase à velocidade da luz. Essas partículas em movimento rápido formam dois feixes estreitos ou “jactos” perto dos pólos do buraco negro.

O buraco negro super-massivo que os cientistas observaram no novo estudo está localizado no centro de uma galáxia a cerca de 9,9 mil milhões de anos-luz da Terra. Esta galáxia possui pelo menos sete galáxias vizinhas, de acordo com observações do VLT (Very Large Telescope) do ESO e do LBT (Large Binocular Telescope).

Usando o VLA (Karl Jansky Very Large Array) da NSF (National Science Foundation), os cientistas já haviam detectado emissões de ondas de rádio de um jacto de partículas altamente energéticas com cerca de um milhão de anos-luz. O jacto pode ser rastreado até ao buraco negro super-massivo, que o Chandra detectou como uma poderosa fonte de raios-X produzidos pelo gás quente que gira em torno do buraco negro. Gilli e colegas também detectaram uma nuvem difusa de emissão de raios-X em torno de uma extremidade do jacto de rádio. Esta emissão de raios-X é provavelmente de uma gigantesca bolha de gás quente aquecida pela interacção das partículas energéticas no jacto de rádio com a matéria circundante.

À medida que a bolha quente se expandia e varria as quatro galáxias vizinhas, pode ter criado uma onda de choque que comprimiu o gás frio nas galáxias, provocando formação estelar. Todas as quatro galáxias estão aproximadamente à mesma distância, cerca de 400.000 anos-luz, do centro da bolha. Os autores estimam que o ritmo de formação estelar é cerca de duas a cinco vezes mais elevado que nas galáxias típicas com massas semelhantes e a distâncias semelhantes da Terra.

“A história do rei Midas fala do seu toque mágico que pode transformar metal em ouro,” disse o co-autor Marco Mignoli, também do INAF em Bolonha, Itália. “Aqui temos um caso de um buraco negro que ajudou a transformar gás em estrelas e o seu alcance é intergaláctico.”

Os astrónomos já viram muitos casos onde um buraco negro afecta os seus arredores através de “feedback negativo” – por outras palavras, restringindo a formação de novas estrelas. Isto pode ocorrer quando os jactos do buraco negro injectam tanta energia no gás quente de uma galáxia, ou enxame de galáxias, que o gás não consegue arrefecer o suficiente para formar um grande número de estrelas.

Nesta recém-descoberta colecção de estrelas, os astrónomos encontraram um exemplo menos comum de “feedback positivo”, em que os efeitos do buraco negro reforçam a formação estelar. Além disso, quando os astrónomos encontraram feedback positivo anteriormente, este ou envolveu aumentos de 30% ou menos no que toca à formação estelar, ou ocorreu a escalas de apenas aproximadamente 20.000 a 50.000 anos-luz numa galáxia companheira próxima. Se o feedback é positivo ou negativo, depende de um delicado equilíbrio entre o ritmo de aquecimento e de arrefecimento de uma nuvem. Isto porque as nuvens que são inicialmente mais frias, quando atingidas por uma onda de choque, são mais propensas a receber feedback positivo, formando assim mais estrelas.

“Os buracos negros têm a reputação bem merecida de serem poderosos e mortíferos, mas nem sempre,” disse o co-autor Alessandro Peca, ex-INAF em Bolonha e agora estudante de doutoramento da Universidade de Miami. “Este é um excelente exemplo de que às vezes desafiam esse estereótipo e podem ao invés estimular a formação estelar.”

Os investigadores usaram um total de seis dias de tempo de observação do Chandra, distribuído ao longo de cinco meses.

“É apenas por causa desta observação muito profunda que vimos a bolha de gás quente produzida pelo buraco negro,” disse o co-autor Colin Norman da Universidade Johns Hopkins em Baltimore, no estado norte-americano de Maryland. “Ao observar objectos parecidos com este, podemos vir a descobrir que o feedback positivo é muito comum na formação de grupos ou enxames de galáxias.”

O artigo que descreve estes resultados foi publicado na edição mais recente da revista Astronomy and Astrophysics e está disponível online.

Astronomia on-line
3 de Dezembro de 2019

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3127: Mora na Via Láctea um buraco negro que “não devia existir”

CIÊNCIA

ESA/Hubble, ESO, M. Kornmesse

Uma equipa internacional de cientistas acaba de encontrar um buraco negro na Via Láctea, cuja enorme massa desafia as teorias da evolução estelar vigentes – trata-se de um corpo celeste de grandes dimensões que “não devia existir”.

A comunidade científica estima que a massa dos buracos negros da nossa galáxia seja 30 vezes menor do que a massa do Sol. Contudo, estes valores acabam de ser desafiados.

Cientistas dizem agora ter detectado um buraco negro bem maior – excede a massa solar em 70 vezes, fica a 15.000 anos-luz da Terra e foi baptizado do LB-1, tal como detalha a nova investigação publicada esta semana na revista científica Nature.

O artigo recorda que buracos negros de massa semelhante já tinha sido detectados antes, apesar de a “formação de buracos negros tão massivos em ambientes de alta metalicidade” – em particular na Via Láctea fosse considerada “extremamente difícil” de acordo com as teorias actuais da evolução estelar.

“De acordo com os modelos actuais de evolução estelar, os buracos negros com esta massa nem deveriam existir na nossa galáxia”, disse Liu Jifeng, professor do Observatório Astronómico Nacional da China, que liderou a investigação, citado pela agência AFP.

“Agora, os teóricos terão de assumir o desafio e explicar a sua formação”, atirou.

Os cientistas acreditam que os buracos negros mais comuns – 20 vezes mais massivos do que o Sol – são fruto da implosão de uma super-nova. Já os buracos negros super-massivos, formam-se através de imensas de nuvens de gás, embora a sua origem seja incerta.

ZAP //

Por ZAP
2 Dezembro, 2019

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3117: Descoberto um buraco negro estelar imprevisível

CIÊNCIA

Impressão de artista do buraco negro estelar LB-1 com uma estrela em órbita.
Crédito: Jingchuan Yu

Estima-se que a nossa Via Láctea contenha 100 milhões de buracos negros estelares – corpos cósmicos formados pelo colapso de estrelas massivas e tão densos que nem a luz consegue escapar. Até agora, os cientistas haviam estimado a massa dos buracos negros estelares individuais na nossa Galáxia em não mais do que 20 vezes a massa do Sol. Mas a descoberta de um enorme buraco negro por uma equipa de cientistas internacionais liderada pela China derrubou essa suposição.

A equipa, liderada pelo professor Liu Jifeng do Observatório Astronómico Nacional da China da Academia Chinesa de Ciências, localizou um buraco negro estelar com 70 vezes a massa do Sol. O buraco negro monstruoso está localizado a 15 mil anos-luz da Terra e recebeu o nome LB-1 pelos investigadores. A descoberta foi relatada na última edição da revista Nature.

Esta descoberta foi uma grande surpresa. “Os buracos negros com esta massa nem deveriam existir na nossa Galáxia, de acordo com a maioria dos modelos actuais da evolução estelar,” disse o professor Liu. “Achávamos que as estrelas muito massivas com a composição típica da nossa Galáxia deviam expelir a maior parte do seu gás em fortes ventos estelares à medida que se aproximavam do fim da sua vida. Portanto, não deviam deixar para trás um remanescente tão massivo. LB-1 é duas vezes mais massivo do que pensávamos ser possível. Agora os teóricos terão que aceitar o desafio de explicar a sua formação.”

Até há poucos anos, os buracos negros estelares só podiam ser descobertos quando devoravam gás de uma estrela companheira. Este processo cria poderosas emissões de raios-X, detectáveis da Terra, que revelam a presença do objecto colapsado.

A vasta maioria dos buracos negros estelares na nossa Galáxia não está envolvida num banquete cósmico e, portanto, não emite raios-X reveladores. Como resultado, apenas foram identificados e medidos cerca de duas dúzias de buracos negros estelares na Via Láctea.

Para combater esta limitação, o professor Liu e colaboradores analisaram o céu com o LAMOST (Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope) da China, procurando estrelas que orbitam um objecto invisível, puxadas pela sua gravidade.

Esta técnica de observação foi proposta pela primeira vez pelo visionário cientista inglês John Mitchell em 1783, mas só se tornou viável com as recentes melhorias tecnológicas nos telescópios e detectores.

Ainda assim, tal pesquisa é como procurar a proverbial agulha no palheiro: apenas uma estrela em mil pode estar a orbitar um buraco negro.

Após a descoberta inicial, os maiores telescópios ópticos do mundo – o GTC (Gran Telescopio Canarias) com 10,4 m na Espanha e o telescópio Keck I de 10 m nos EUA – foram usados para determinar os parâmetros físicos do sistema. Os resultados foram fantásticos: uma estrela com oito massas solares orbitava um buraco negro com 70 vezes a massa do Sol a cada 79 dias.

A descoberta de LB-1 encaixa muito bem com outra inovação na astrofísica. Recentemente, os detectores de ondas gravitacionais LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) e Virgo começaram a captar ondulações no espaço-tempo provocadas por colisões de buracos negros em galáxias distantes. Curiosamente, os buracos negros envolvidos em tais colisões também são muito maiores do que o que anteriormente era considerado típico.

A observação directa de LB-1 prova que esta população de buracos negros estelares excessivamente grandes existe até no nosso próprio quintal cósmico. “Esta descoberta obriga-nos a reexaminar os nossos modelos de como os buracos negros de massa estelar se formam,” disse o professor David Reitze, director do LIGO e da Universidade da Florida, EUA.

“Este resultado notável, juntamente com as detecções LIGO-Virgo de colisões de buracos negros binários durante os últimos quatro anos, realmente apontam para um renascimento na nossa compreensão da astrofísica dos buracos negros,” disse Reitze.

Astronomia On-line
29 de Novembro de 2019

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3114: Planetas podem ser muito comuns na vizinhança hostil dos buracos negros

CIÊNCIA

Mark A. Garlick / NASA

Afinal, as estrelas jovens podem não ser os únicos objectos com discos de poeiras capazes de formar planetas. Uma nova investigação, conduzida por cientista do Japão, sugere que alguns buracos negros também admitem estas estruturas.

“Com as condições certas, os planetas podem formar-se mesmo em ambientes hostis, como por exemplo em torno de um buraco negro”, explicou Keiichi Wada, professor da Universidade Kagoshima que investiga núcleos galácticos activos, objectos luminosos energizados por buracos negros, citado pela agência Europa Press.

As teorias sobre a formação planetária sustentam que os mundos são formados a partir de agregados de poeira num disco proto-planetário que está em torno de uma estrela jovem. Contudo, estes corpos não são os únicos com discos de poeira.

Uma nova investigação, cujos resultados foram disponibilizados no portal arXiv, debruçou-se sobre grandes discos localizados em torno de buracos negros super-massivos em núcleos de galáxias e descobriu que estes enorme objectos podem ter mundos por perto.

“Os nosso cálculos mostram que dezenas de milhares de planetas com 10 vezes a massa da Terra poderiam formar-se a cerca de 10 anos-luz a partir de um buraco negro”, explicou Eiichiro Kokubo, professor do Observatório Astronómico Nacional do Japão que estuda a formação de planetas. “Em torno dos buracos negros, sistemas planetários de incrível escala poderiam existir”, aponta.

Alguns buracos negros super-massivos têm grandes quantidades de matéria à sua volta sob a forma de um disco pesado e denso. Este disco pode conter quantidades astronómicas de pó: cerca de 100.000 vezes a massa do nosso Sol. Noutras palavras, pode ter mil milhões de vezes a massa da poeira de um disco proto-planetário.

Actualmente, não existem técnicas para detectar estes potencial planetas que estarão na vizinhança dos buracos negros. Ainda assim, os cientistas esperam que a nova investigação, que carece ainda de revisão dos pares, abra um novo campo de Astronomia.

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Por ZAP
28 Novembro, 2019

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