Vivemos em um Universo repleto de buracos negros. Existem inúmeras massas estelares e supermassivas em nossa galáxia e na maioria das outras. É provável que existissem como os chamados buracos negros “primordiais” nas primeiras épocas da história cósmica. No entanto, parece haver uma categoria de elo perdido: buracos negros de massa intermediária (IMBH). Os astrônomos procuram essas feras raras há anos e só há uma observação possível graças aos dados das ondas gravitacionais. Então, onde eles estão?
O IMBH pode estar escondido no coração dos aglomerados globulares. Mas, dada a natureza compacta dessas coleções compactas de estrelas, como saberíamos se continham algum IMBH? Equipes de pesquisadores no Japão e na China descobriram algumas maneiras de procurá-los. Uma delas é procurar estrelas em movimento rápido ejetadas de aglomerados globulares. A outra é fazer simulações de colisões de estrelas nos corações de aglomerados recém-formados. Ambos os métodos podem apontar o caminho para mais descobertas do IMBH.
O que são buracos negros de massa intermediária?
Esses objetos raros são praticamente o que seu nome diz: buracos negros com massas em algum lugar entre seus primos de massa estelar e os gigantes supermassivos no coração das galáxias. Eles podem conter até mil vezes a massa do Sol, o que seria bastante “pequeno”, talvez até um milhão de massas solares. Além disso estão os monstros supermassivos com milhões ou bilhões de vezes a massa do Sol. O IMBH não vem de explosões de supernovas, já que não existe nenhuma estrela massiva grande o suficiente para entrar em colapso e produzir um IMBH. O nascimento de um IMBH deveria envolver múltiplos objetos massivos se unindo. Isso os torna mais parecidos com seus grandes irmãos buracos negros supermassivos.
Então, onde aconteceria tal evento de colisão? Ajudaria se você tivesse uma densa aglomeração de estrelas bem compactadas. Isso descreve aglomerados globulares em um T. Eles estão repletos de estrelas e provavelmente têm uma boa coleção de estrelas muito massivas. Essas são as estrelas que explodem como supernovas e colapsam para produzir um buraco negro de massa estelar. Se existirem um número suficiente deles no cluster, eles poderão se fundir e criar um IMBH. Outra sugestão para criar um IMBH é que estrelas massivas colidam para criar um único objeto mais massivo.
Muitos aglomerados globulares orbitam o núcleo da Via Láctea. Algumas das mais densas têm milhões de estrelas unidas pela gravidade. O cluster Messier 15 (M15) é um bom exemplo. Ele contém mais de 100.000 estrelas amontoadas em uma área do espaço com cerca de 175 anos-luz de diâmetro. Se colisões de estrelas descontroladas ou fusões de buracos negros de massa estelar ocorressem em M15, isso poderia ser suficiente para criar um IMBH.
Simulando aglomerados globulares e crescimento de buracos negros de massa intermediária
Outra ideia é explorar a formação de globulares para ver se ela produz alguma pista sobre a origem e a existência do IMBH. Foi o que fez uma equipe de cientistas da Universidade de Tóquio. Eles criaram simulações avançadas de formação de aglomerados estelares para ver se colisões de estrelas massivas poderiam ocorrer e levar ao nascimento do IMBH. Não é uma tarefa fácil. Simulações anteriores sugeriam que os ventos estelares eliminariam as massas necessárias para criar estes buracos negros desaparecidos.
“As simulações de formação de aglomerados estelares foram desafiadoras devido ao custo da simulação”, disse a líder da equipe, Michiko Fujii. “Pela primeira vez, realizamos com sucesso simulações numéricas da formação de aglomerados globulares, modelando estrelas individuais. Ao resolver estrelas individuais com uma massa realista para cada uma, poderíamos reconstruir as colisões de estrelas num ambiente compactado. Para estas simulações, desenvolvemos um novo código de simulação, no qual poderíamos integrar milhões de estrelas com alta precisão.”
A simulação resultante mostrou que colisões descontroladas uniram estrelas muito massivas. Estes são candidatos perfeitos para acabarem como candidatos IMBH. “Nosso objetivo final é simular galáxias inteiras resolvendo estrelas individuais”, aponta Fujii para pesquisas futuras. “Ainda é difícil simular galáxias do tamanho da Via Láctea resolvendo estrelas individuais usando os supercomputadores atualmente disponíveis. No entanto, seria possível simular galáxias menores, como galáxias anãs. Também queremos atingir os primeiros aglomerados, aglomerados de estrelas formados no universo primitivo. Os primeiros clusters também são locais onde os IMBHs podem nascer.”
Estrelas em Fuga e IMBH
Ok, então as simulações mostram que tal IMBH poderia ser possível no ambiente do aglomerado globular, mas qual é a prova física de que eles realmente existem? Na verdade, ninguém detectou as colisões de buracos negros de massa estelar dentro de um aglomerado para criar um IMBH. Também não viram colisões estelares que pudessem criar um objeto monstruoso – embora as simulações japonesas tenham provado que podem acontecer. O truque agora é observar os dois tipos de evento. Até que isso aconteça, os astrônomos podem descobrir se o IMBH existe por meios indiretos.
Uma equipe de pesquisa chinesa, liderada por Yang Huang, da Universidade da Academia Chinesa de Ciências, publicou recentemente um artigo sobre uma estrela de alta velocidade que foge do local de uma colisão no coração de Messier 15. A estrela, chamada J0731+3717, foi ejetado por um encontro com um buraco negro de massa intermediária inserido muito próximo do centro do aglomerado.
J0731+3717 foi lançado em sua jornada em alta velocidade há cerca de 21 milhões de anos. A equipe examinou sua metalicidade (ou seja, suas proporções de hidrogênio e elementos mais pesados (chamados de “metais” pelos astrônomos)) e descobriu que ela corresponde às estrelas de M15. A estrela rebelde se afasta do aglomerado a uma velocidade de cerca de 550 quilômetros por segundo e já “viveu” a uma distância de cerca de 1 UA do núcleo do aglomerado. A equipe analisou essas medições e fez cálculos orbitais reversos daquela estrela (e de outras dentro de 5 kpc do Sol). Com base nos seus cálculos, concluíram que a estrela teve um encontro demasiado próximo com um buraco negro de massa intermédia contendo cerca de 100 massas solares.
A equipe sugere que este método seja utilizado para comprovar a existência de outros IMBH em ambientes semelhantes. Eles concluem seu artigo analisando observações futuras para provar o conceito. “Com o poder crescente de Gaia em andamento e pesquisas espectroscópicas em grande escala, esperamos descobrir dezenas de casos dentro do volume de 5kpc e dez vezes mais dentro de um volume de 10kpc, o que deve lançar luz na compreensão do caminho evolutivo da massa estelar. BHs para pequenas e médias empresas.”
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