Sistema observado a 8.000 anos-luz de distância pode ser a primeira evidência direta da formação “suave” de buracos negros.
Muitos buracos negros detectados até agora parecem fazer parte de um par. Estes sistemas binários compreendem um buraco negro e um objeto secundário – como uma estrela, uma estrela de nêutrons muito mais densa ou outro buraco negro – que giram em torno um do outro, unidos pela gravidade do buraco negro para formar um par orbital compacto.
Agora, uma descoberta surpreendente está a expandir a imagem dos buracos negros, dos objetos que podem albergar e da forma como se formam.
Em um estudo publicado hoje em Natureza , físicos do MIT e do Caltech relatam que observaram um “buraco negro triplo” pela primeira vez. O novo sistema contém um buraco negro central no ato de consumir uma pequena estrela que gira em espiral muito perto do buraco negro, a cada 6,5 dias – uma configuração semelhante à maioria dos sistemas binários. Mas, surpreendentemente, uma segunda estrela parece também orbitar o buraco negro, embora a uma distância muito maior. Os físicos estimam que esta companheira distante orbita o buraco negro a cada 70 mil anos.
O fato de o buraco negro parecer ter uma influência gravitacional sobre um objeto tão distante está levantando questões sobre as origens do próprio buraco negro. Pensa-se que os buracos negros se formam a partir da violenta explosão de uma estrela moribunda – um processo conhecido como supernova, pelo qual uma estrela liberta uma enorme quantidade de energia e luz numa explosão final antes de colapsar num buraco negro invisível.
A descoberta da equipa, no entanto, sugere que se o buraco negro recentemente observado resultasse de uma supernova típica, a energia que teria libertado antes de entrar em colapso teria expulsado quaisquer objectos frouxamente ligados nos seus arredores. A segunda estrela externa, então, não deveria estar ainda por aí.
Em vez disso, a equipa suspeita que o buraco negro se formou através de um processo mais suave de “colapso direto”, no qual uma estrela simplesmente desmorona sobre si mesma, formando um buraco negro sem um último clarão dramático. Uma origem tão suave dificilmente perturbaria quaisquer objetos distantes e frouxamente amarrados.
Como o novo sistema triplo inclui uma estrela muito distante, isto sugere que o buraco negro do sistema nasceu através de um colapso direto e mais suave. E embora os astrónomos tenham observado supernovas mais violentas durante séculos, a equipa afirma que o novo sistema triplo pode ser a primeira evidência de um buraco negro que se formou a partir deste processo mais suave.
“Pensamos que a maioria dos buracos negros se formam a partir de explosões violentas de estrelas, mas esta descoberta ajuda a pôr isso em questão”, diz o autor do estudo Kevin Burdge, Pappalardo Fellow no Departamento de Física do MIT. “Este sistema é muito entusiasmante para a evolução dos buracos negros e também levanta questões sobre se existem mais triplos por aí.”
Os coautores do estudo no MIT são Erin Kara, Claude Canizares, Deepto Chakrabarty, Anna Frebel, Sarah Millholland, Saul Rappaport, Rob Simcoe e Andrew Vanderburg, juntamente com Kareem El-Badry da Caltech.
Movimento tandem
A descoberta do buraco negro triplo aconteceu quase por acaso. Os físicos descobriram-no enquanto pesquisavam no Aladin Lite, um repositório de observações astronómicas, agregadas de telescópios no espaço e em todo o mundo. Os astrônomos podem usar a ferramenta online para procurar imagens da mesma parte do céu, obtidas por diferentes telescópios sintonizados em vários comprimentos de onda de energia e luz.
A equipe estava procurando sinais de novos buracos negros na Via Láctea. Por curiosidade, Burdge revisou uma imagem do V404 Cygni – um buraco negro a cerca de 8.000 anos-luz da Terra que foi um dos primeiros objetos a ser confirmado como um buraco negro, em 1992. Desde então, o V404 Cygni se tornou um dos os buracos negros mais bem estudados e foi documentado em mais de 1.300 artigos científicos. No entanto, nenhum desses estudos relatou o que Burdge e seus colegas observaram.
Ao olhar para as imagens ópticas do V404 Cygni, Burdge viu o que pareciam ser duas bolhas de luz, surpreendentemente próximas uma da outra. A primeira bolha foi o que outros determinaram ser o buraco negro e uma estrela interna em órbita próxima. A estrela está tão próxima que está derramando parte de sua matéria no buraco negro e emitindo a luz que Burdge pôde ver. A segunda mancha de luz, no entanto, foi algo que os cientistas não investigaram de perto, até agora. Essa segunda luz, concluiu Burdge, provavelmente vinha de uma estrela muito distante.
“O facto de podermos ver duas estrelas separadas a esta distância significa, na verdade, que as estrelas têm de estar muito distantes uma da outra”, diz Burdge, que calculou que a estrela exterior está a 3.500 unidades astronómicas (UA) de distância do buraco negro ( 1 UA é a distância entre a Terra e o Sol). Em outras palavras, a estrela externa está 3.500 vezes mais distante do buraco negro do que a Terra está do Sol. Isso também é igual a 100 vezes a distância entre Plutão e o Sol.
A questão que então me veio à mente foi se a estrela exterior estava ligada ao buraco negro e à sua estrela interior. Para responder a isto, os investigadores olharam para Gaia, um satélite que rastreia com precisão os movimentos de todas as estrelas da galáxia desde 2014. A equipa analisou os movimentos das estrelas interiores e exteriores ao longo dos últimos 10 anos de dados de Gaia e descobriu que as estrelas moviam-se exatamente em conjunto, em comparação com outras estrelas vizinhas. Eles calcularam que as chances desse tipo de movimento tandem são de cerca de uma em 10 milhões.
“É quase certo que não é uma coincidência ou acidente”, diz Burdge. “Estamos vendo duas estrelas que se seguem porque estão ligadas por esta fraca cadeia de gravidade. Portanto, este tem que ser um sistema triplo.”
Puxando os cordelinhos
Como, então, o sistema poderia ter se formado? Se o buraco negro tivesse surgido de uma supernova típica, a violenta explosão já teria expulsado a estrela exterior há muito tempo.
“Imagine que você está puxando uma pipa e, em vez de uma corda forte, está puxando uma teia de aranha”, diz Burdge. “Se você puxasse com muita força, a teia quebraria e você perderia a pipa. A gravidade é como uma corda mal amarrada que é realmente fraca, e se você fizer algo dramático com o binário interno, você perderá a estrela externa .”
No entanto, para realmente testar esta ideia, Burdge realizou simulações para ver como um tal sistema triplo poderia ter evoluído e retido a estrela exterior.
No início de cada simulação, ele introduziu três estrelas (sendo a terceira o buraco negro, antes de se tornar um buraco negro). Ele então executou dezenas de milhares de simulações, cada uma com um cenário ligeiramente diferente de como a terceira estrela poderia ter se tornado um buraco negro e, subsequentemente, afetado os movimentos das outras duas estrelas. Por exemplo, ele simulou uma supernova, variando a quantidade e a direção da energia que ela emitia. Ele também simulou cenários de colapso direto, nos quais a terceira estrela simplesmente desabou sobre si mesma para formar um buraco negro, sem emitir energia.
“A grande maioria das simulações mostra que a maneira mais fácil de fazer este triplo funcionar é através do colapso direto”, diz Burdge.
Além de fornecer pistas sobre as origens do buraco negro, a estrela exterior também revelou a idade do sistema. Os físicos observaram que a estrela exterior está em processo de se tornar uma gigante vermelha – uma fase que ocorre no final da vida de uma estrela. Com base nesta transição estelar, a equipa determinou que a estrela exterior tem cerca de 4 mil milhões de anos. Dado que as estrelas vizinhas nascem na mesma época, a equipa conclui que o buraco negro triplo também tem 4 mil milhões de anos.
“Nunca fomos capazes de fazer isto antes para um buraco negro antigo”, diz Burdge. “Agora sabemos que o V404 Cygni faz parte de um triplo, pode ter-se formado a partir de um colapso direto, e formou-se há cerca de 4 mil milhões de anos, graças a esta descoberta.”
