3607: Estrela sobrevive quase-encontro com buraco negro gigante

CIÊNCIA/ASTRONOMIA

Ilustração do buraco negro e da anã branca.
Crédito: raios-X – NASA/CXO/CSIC-INTA/G.Miniutti et al.; Ilustração – NASA/CXC/M. Weiss

Os astrónomos podem ter descoberto um novo tipo de história de sobrevivência: uma estrela que teve um encontro próximo com um buraco negro gigante e sobreviveu para contar a narrativa através de emissões de raios-X.

Dados do Observatório de raios-X da NASA e do XMM-Newton da ESA descobriram a história que começou com uma gigante vermelha que passou demasiado perto de um buraco negro super-massivo numa galáxia a cerca de 250 milhões de anos-luz da Terra. O buraco negro, localizado numa galáxia chamada GSN 069, tem uma massa de cerca de 400.000 vezes a do Sol, colocando-o na extremidade inferior da gama dos buracos negros super-massivos.

Assim que a gigante vermelha foi capturada pela gravidade do buraco negro, as camadas externas da estrela contendo hidrogénio foram arrancadas e levadas para o buraco negro, deixando o núcleo da estrela – conhecido como anã branca – para trás.

“Na minha interpretação dos dados de raios-X, a anã branca sobreviveu, mas não escapou,” disse Andrew King, da Universidade de Leicester, Reino Unido, que realizou este estudo. “Agora está presa numa órbita elíptica em torno do buraco negro, completando uma viagem aproximadamente a cada nove horas.”

À medida que a anã branca faz quase três órbitas por cada dia terrestre, o buraco negro retira material na sua maior aproximação (a não mais do que 15 vezes o raio do horizonte de eventos – o ponto de não retorno – do buraco negro). O detrito estelar entra num disco em redor do buraco negro e liberta um surto de raios-X que o Chandra e o XMM-Newton podem detectar. Além disso, King prevê que ondas gravitacionais serão emitidas pelo par constituído pelo buraco negro e pela anã branca, especialmente no seu ponto mais próximo.

Qual será o futuro da estrela e da sua órbita? O efeito combinado das ondas gravitacionais e uma mudança no tamanho da estrela à medida que perde massa deverá fazer com que a órbita se torne mais circular e cresça em tamanho. O ritmo de perda de massa diminui constantemente, assim como a distância da anã branca ao buraco negro aumenta.

“Vai esforçar-se para fugir, mas não há escapatória. O buraco negro vai devorar a anã branca cada vez mais lentamente, mas nunca parará,” disse King. “Em princípio, esta perda de massa vai continuar até e mesmo depois da anã branca desvanecer até à massa de Júpiter, daqui a um bilião de anos. Esta seria uma maneira notavelmente lenta e complicada do Universo formar um planeta!”

Os astrónomos encontraram muitas estrelas que foram completamente destruídas por encontros com buracos negros (os chamados eventos de perturbação de maré), mas há muito poucos casos relatados de “quase-encontros”, onde a estrela provavelmente sobreviveu.

Encontros próximos como este devem ser mais comuns do que colisões directas, dadas as estatísticas dos padrões de tráfego cósmico, mas podem ser facilmente não observados por várias razões. Primeiro, uma estrela sobrevivente mais massiva pode demorar demasiado tempo a concluir uma órbita em torno do buraco negro para os astrónomos observem surtos repetidos. Outra questão é que os buracos negros super-massivos que são muito mais massivos do que o situado na galáxia GSN 069 podem engolir directamente uma estrela, em vez desta cair para órbitas onde perde massa periodicamente. Nestes casos, os astrónomos nada observariam.

“Em termos astronómicos, este evento só é visível através dos nossos telescópios actuais por um curto período de tempo – cerca de 2000 anos,” disse King. “De modo que a menos que tenhamos uma sorte extraordinária de ter capturado este evento, podem haver muito mais que estejamos a perder. Tais encontros podem ser uma das principais maneiras dos buracos negros do tamanho do buraco negro de GSN 069 crescerem.”

King prevê que a anã branca tem uma massa de apenas dois-décimos da massa do Sol. Se a anã branca era o núcleo da gigante vermelha que foi completamente despojada do seu hidrogénio, deverá ser rica em hélio. O hélio teria sido criado pela fusão de átomos de hidrogénio durante a evolução da gigante vermelha.

“É incrível pensar que a órbita, a massa e a composição de uma pequena estrela a 250 milhões de anos-luz de distância podem ser inferidas,” disse King.

King fez uma previsão com base no seu cenário. Dado que a anã branca está tão perto do buraco negro, os efeitos da Teoria da Relatividade Geral significam que a direcção do eixo da órbita deve oscilar, ou “precessar”. Esta oscilação deve repetir-se a cada dois dias e pode ser detectável com observações suficientemente longas.

O artigo que descreve estes resultados foi publicado na edição de Março de 2020 da revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society e está disponível online.

Astronomia On-line
28 de Abril de 2020

 

spacenews

 

2633: Há um buraco negro super-massivo a fazer três refeições por dia

CIÊNCIA

NASA / CXO / CSIC-INTA / G.MINIUTTI ET AL.; DSS
Imagens raio-X do brilho em torno do buraco negro da galáxia GSN 069

No centro da galáxia GSN 069 mora um buraco negro super-massivo que está a consumir grandes quantidades de material num horário regular, a cada nove horas.

Os cientistas já tinham observado dois buracos negros de “massa estelar”, isto é, que pesam aproximadamente 10 vezes a massa do Sol. No entanto, nunca tinham detectado este tipo de comportamento num buraco negro super-massivo.

O buraco negro mora bem no centro da galáxia GSN 069, a 250 milhões de anos-luz da Terra, e contém cerca de 400.000 vezes a massa do Sol. Os cientistas usaram os telescópios espaciais Chandra (NASA) e XMM-Newton (ESA) para concluir que este buraco negro consome, aproximadamente, quatro luas (semelhantes à da Terra) três vezes por dia.

Giovanni Miniutti, do Centro de Astrobiologia da ESA, adiantou em comunicado que o “buraco negro segue um plano nutricional como nunca vimos antes”. “Este comportamento é tão sem precedentes que tivemos de cunhar uma nova expressão para o descrever: erupções quase periódicas de raios-X.”

“Combinando dados dos dois observatórios de raios-X, seguimos as explosões periódicas durante, pelo menos, 54 dias”, explicou Richard Saxton, do Centro Europeu de Astronomia Espacial de Madrid, em Espanha. “Este acompanhamento deu-nos uma oportunidade única de testemunhar o fluxo de matéria num buraco negro super-massivo que acelera e desacelera repetidamente”.

Durante as explosões, a emissão de raios-X torna-se 20 vezes mais brilhante do que durante os momentos de silêncio. A temperatura do gás que cai no buraco negro também aumenta, de meio milhão de graus Celsius durante períodos de silêncio para, aproximadamente, 1,3 milhões durante explosões.

Segundo o Europa Press, os cientistas acreditam que a origem da emissão de raios-X “é uma estrela que o buraco negro quebrou parcial ou completamente e que consume lentamente”, adiantou Margherita Giustini, também do Centro de Astrobiologia da ESA.

“Quanto às repetidas explosões, a história é completamente diferente, cuja origem precisa de ser estudada com novos dados e novos modelos teóricos”.

ZAP //

Por ZAP
14 Setembro, 2019

 

2630: Flashes periódicos e inesperados podem lançar luz sobre a acreção de buracos negros

CIÊNCIA

Uma visão de raios-X do buraco negro activo no núcleo da galáxia distante GSN 069, a cerca de 250 milhões de anos-luz de distância, com base em dados do observatório de raios-X XMM-Newton da ESA. A parte superior da animação mostra as observações reais e o gráfico na parte inferior mostra variações no brilho dos raios-X da fonte em relação ao seu nível “inactivo”.
Esta animação é baseada em quase 40 horas de observações desta fonte, que passa por erupções nunca antes vistas – de nome “erupções quase periódicas”, ou EQPs – a cada nove horas. A sequência foi acelerada para fins de ilustração; cada quadro corresponde a cerca de 3 minutos de tempo real de exposição do XMM-Newton.
Estas erupções foram detectadas pela primeira vez no dia 24 de Dezembro de 2018, quando a fonte aumentou repentinamente de brilho por um factor de 100, e depois voltou aos seus níveis normais numa hora, só para “reacender” novamente nove horas depois.
Embora nunca antes observados, os cientistas pensam que erupções quase periódicas como estas podem ser na realidade comuns no Universo.
Crédito: ESA/XMM-Newton; G. Miniutti & M. Giustini (CAB, CSIC-INTA, Espanha)

O telescópio espacial de raios-X da ESA, XMM-Newton, detectou explosões periódicas nunca antes vistas de radiação de raios-X provenientes de uma galáxia distante que poderão ajudar a explicar alguns comportamentos enigmáticos de buracos negros activos.

O XMM-Newton, o mais poderoso observatório de raios-X, descobriu alguns flashes misteriosos do buraco negro activo no núcleo da galáxia GSN 069, a cerca de 250 milhões de anos-luz de distância. No dia 24 de Dezembro de 2018, a fonte aumentou repentinamente de brilho por um factor de 100, e depois voltou aos seus níveis normais numa hora, só para “reacender” novamente nove horas depois.

“Foi completamente inesperado,” diz Giovanni Miniutti, do Centro de Astrobiologia de Madrid, Espanha, autor principal de um novo artigo publicado anteontem na revista Nature.

“Os buracos negros gigantes piscam regularmente como uma vela, mas as mudanças rápidas e repetidas observadas em GSN 069 a partir do mês de Dezembro são algo completamente novo.”

Outras observações, realizadas com o XMM-Newton bem como com o Observatório de raios-X Chandra da NASA nos meses seguintes, confirmaram que o buraco negro distante ainda mantinha o ritmo, emitindo rajadas quase periódicas de raios-X a cada nove horas. Os investigadores estão a chamar o novo fenómeno de “erupções quase periódicas,” ou EQPs.

“A emissão de raios-X vem de material que está a ser acretado no buraco negro e aquecido no processo,” explica Giovanni.

“Existem vários mecanismos no disco de acreção que podem dar origem a este tipo de sinal quase periódico, potencialmente ligado a instabilidades no fluxo de acreção próximo do buraco negro central.

“Alternativamente, as erupções podem ser devidas à interacção do material do disco com um segundo corpo – outro buraco negro ou talvez o remanescente de uma estrela anteriormente perturbada pelo buraco negro.”

Embora nunca antes observados, Giovanni e colegas pensam que surtos periódicos como estes podem ser na realidade comuns no Universo.

É possível que o fenómeno não tenha sido identificado antes, porque a maioria dos buracos negros nos núcleos de galáxias distantes, com massas de milhões a milhares de milhões de vezes a massa do nosso Sol, são muito maiores do que o buraco negro em GSN 069, que é apenas cerca de 400.000 vezes mais massivo do que o nosso Sol.

Quanto maior e mais massivo o buraco negro, mais lentas as flutuações de brilho que pode exibir, de modo que um típico buraco negro super-massivo entra em erupção não a cada nove horas, mas a cada poucos meses ou anos. Isto tornaria a detecção improvável, pois as observações raramente abrangem períodos de tempo tão longos.

E mais: as EQPs como as encontradas em GSN 069 podem fornecer uma estrutura natural para interpretar alguns padrões intrigantes observados numa fracção significativa de buracos negros activos, cujo brilho parecer variar demasiado depressa para ser facilmente explicado pelos modelos teóricos actuais.

“Conhecemos muitos buracos negros massivos cujo brilho aumenta ou diminui por factores muito elevados em dias ou meses, enquanto esperamos que variem num ritmo muito mais lento,” explica Giovanni.

“Mas se parte desta variabilidade corresponder às fases de subida ou descida de erupções semelhantes às descobertas em GSN 069, então a rápida variabilidade destes sistemas, que parece actualmente inviável, pode ser explicada naturalmente. Novos dados e novos estudos dirão se esta analogia realmente se aplica.”

As erupções quase periódicas avistadas em GSN 069 também podem explicar outra propriedade intrigante observada na emissão de raios-X de quase todos os buracos negros super-massivos brilhantes com acreção: o chamado “excesso suave”.

Consiste na emissão aprimorada a baixas energias de raios-X, e ainda não há consenso sobre o que a provoca, a teoria principal invocando uma nuvem de electrões aquecidos perto do disco de acreção.

Tal como buracos negros semelhantes, o de GSN 069 exibe um excesso de raios-X tão suave durante as explosões, mas não entre as erupções.

“Podemos estar a testemunhar a formação do excesso suave em tempo real, o que poderá esclarecer a sua origem física,” diz o co-autor Richard Saxton da equipa de operações do XMM-Newton no centro de astronomia da ESA na Espanha.

“De momento, não se sabe como a nuvem de electrões é criada, mas estamos a tentar identificar o mecanismo estudando as mudanças no espectro de raios-X de GSN 069 durante as erupções.”

A equipa já está a tentar identificar as propriedades que definem GSN 069, no momento em que as erupções periódicas foram detectadas pela primeira vez, a fim de procurar mais casos de estudo.

“Um dos nossos objectivos imediatos é procurar erupções quase periódicas de raios-X noutras galáxias, para melhor entender a origem física deste novo fenómeno,” acrescenta a co-autora Margherita Giustini do Centro de Astrobiologia de Madrid.

“GSN 069 é uma fonte extremamente fascinante, com potencial para se tornar numa referência no campo da acreção de buracos negros,” diz Norbert Schartel, cientista do projecto XMM-Newton da ESA.

A descoberta não teria sido possível sem as capacidades do XMM-Newton.

“Estas explosões acontecem na parte menos energética da banda de raios-X, onde o XMM-Newton é imbatível. Certamente precisaremos de usar o observatório novamente se quisermos encontrar mais destes tipos de eventos no futuro,” conclui Norbert.

Astronomia On-line
13 de Setembro de 2019