886: ENCONTRANDO BURACOS NEGROS DE MASSA INTERMÉDIA

O levantamento COSMOS Legacy mostra dados que forneceram evidências para a existência de buracos negros de massa intermédia.
Crédito: raios-X – NASA/CXC/ICE/M. Mezcua et al.; infravermelho – NASA/JPL-Caltech; ilustração – NASA/CXC/A. Hobart

Os cientistas deram passos importantes na sua busca para encontrar buracos negros que não são nem muito pequenos nem extremamente grandes. A descoberta destes elusivos buracos negros de massa intermédia pode ajudar os astrónomos a melhor compreender as “sementes” dos maiores buracos negros do Universo primitivo.

A nova investigação surge de dois estudos separados, cada um usando dados do Observatório de raios-X Chandra da NASA e de outros telescópios.

Os buracos negros que contêm entre cem e várias centenas de milhares de vezes a massa do Sol são chamados buracos negros de “massa intermédia” (IMBHs, sigla inglesa para “intermediate mass black holes”). Isto porque a sua massa os coloca entre os bem documentados e frequentemente estudados buracos negros de “massa estelar”, numa extremidade da escala de massa, e na outra os “buracos negros supermassivos” encontrados nas regiões centrais de galáxias massivas.

Embora tenham sido relatados nos últimos anos vários possíveis IMBHs, os astrónomos ainda estão a tentar determinar quão comuns são e o que as suas propriedades nos ensinam sobre a formação dos primeiros buracos negros supermassivos.

Uma equipa de cientistas usou uma grande campanha de pesquisa chamada Chandra COSMOS-Legacy para estudar galáxias anãs que contêm menos de 1% das estrelas na nossa Via Láctea (COSMOS é uma abreviação de “Cosmic Evolution Survey”). A caracterização destas galáxias foi tornada possível pelo rico conjunto de dados disponíveis para o campo COSMOS em diferentes comprimentos de onda, incluindo dados de telescópios da NASA e da ESA.

Os dados do Chandra foram cruciais para esta investigação porque uma fonte brilhante e pontual de emissão de raios-X, perto do centro de uma galáxia, é um sinal revelador da presença de um buraco negro. Os raios-X são produzidos por gás aquecido a milhões de graus pelas enormes forças gravitacionais e magnéticas próximas do buraco negro.

“Podemos ter descoberto que as galáxias anãs são um paraíso para estes buracos negros intermédios,” comenta Mar Mezcua do Instituto de Ciências Espaciais da Espanha, que liderou um dos estudos. “Nós não encontrámos apenas um punhado de IMBHs – podemos ter encontrado dúzias.”

A sua equipa identificou quarenta buracos negros em crescimento em galáxias anãs. Doze deles estão localizados a uma distância superior a 5 mil milhões de anos-luz da Terra e o mais distante está a 10,9 mil milhões de anos-luz, o buraco negro em crescimento mais distante jamais visto numa galáxia anã. Uma das galáxias anãs é a galáxia menos massiva que se sabe abrigar um buraco negro no seu centro.

A maioria destas fontes são provavelmente IMBHs com massas que variam entre 10 mil e 100 mil vezes a massa do Sol. Um resultado crucial desta pesquisa é que a fracção de galáxias com buracos negros em crescimento é menor para galáxias menos massivas do que para as suas homólogas mais massivas.

Uma segunda equipa liderada por Igor Chilingarian do Centro Harvard-Smithsonian para Astrofísica em Cambridge, no estado norte-americano de Massachusetts, encontrou uma amostra separada e importante de possíveis IMBHs em galáxias mais próximas da Via Láctea. Na sua amostra, o candidato mais distante a IMBH encontra-se a aproximadamente 2,8 mil milhões de anos-luz e cerca de 90% dos candidatos que descobriram não está a mais do que 1,3 mil milhões de anos-luz de distância.

Com dados do SDSS (Sloan Digital Sky Survey), Chilingarian e colegas descobriram galáxias com a assinatura óptica de buracos negros em crescimento e, em seguida, estimaram a sua massa. Seleccionaram 305 galáxias com propriedades que sugeriam um buraco negro com uma massa inferior a 300.000 vezes a massa do Sol, espreitando nas regiões centrais de cada uma dessas galáxias.

Apenas 18 membros desta lista continham observações de raios-X de alta qualidade que permitiram a confirmação de que as fontes são buracos negros. Foram obtidas detecções com o Chandra e com o XMM-Newton para 10 fontes, mostrando que aproximadamente metade dos 305 candidatos a IMBH são provavelmente IMBHs válidos. As massas das dez fontes detectadas com observações de raios-X têm massas determinadas entre 40.000 e 300.000 vezes a massa do Sol.

“Esta é a maior amostra de buracos negros de massa intermédia já encontrada,” comenta Chilingarian. “Este tesouro de buracos negros pode ser usado para abordar um dos maiores mistérios da astrofísica.”

Os IMBHs podem explicar como os maiores buracos negros, os supermassivos, foram capazes de se formar tão rapidamente após o Big Bang. Uma explicação diz que os buracos negros supermassivos crescem ao longo do tempo a partir de buracos negros menores, “sementes” com cerca de 100 vezes a massa do Sol. Algumas destas sementes devem fundir-se para formar IMBHs. Outra explicação diz que se formam muito rapidamente a partir do colapso de uma gigantesca nuvem de gás com uma massa igual a centenas de milhares de vezes a do Sol.

Mezcua e a sua equipa podem estar a ver evidências a favor da ideia de colapso directo, porque esta hipótese prevê que as galáxias menos massivas na sua amostra têm uma probabilidade mais baixa de conter IMBHs.

“As nossas evidências são apenas circunstanciais porque é possível que os IMBHs sejam igualmente comuns nas galáxias mais pequenas, mas não estejam a consumir matéria suficiente para serem detectados como fontes de raios-X,” diz a co-autora de Mezcua, Francesca Civano do Centro Harvard-Smithsonian para Astrofísica.

A equipa de Chilingarian tem uma conclusão diferente.

“Argumentamos que meramente a presença de buracos negros de massa intermédia, na gama de massas que detectámos, sugere a existência de buracos negros mais pequenos com massas equivalentes a várias centenas de sóis,” comenta o co-autor de Chilingarian, Ivan Yu. Katkov da Universidade Estatal de Moscovo, Rússia. “Estes buracos negros mais pequenos podem ser as sementes da formação dos buracos negros supermassivos.”

Outra possibilidade é a ocorrência de ambos os mecanismos. Ambas as equipas concordam que, para fazer conclusões firmes, são necessárias amostras muito maiores de buracos negros, usando dados de satélites futuros. O artigo por Mar Mezcua e colegas foi publicado na edição de Agosto da revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society e está disponível online. O artigo por Igor Chilingarian foi recentemente aceite para publicação na revista The Astrophysical Journal e está também disponível online.

Astronomia online
17 de Agosto de 2018

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