Impressão artística de um evento de microlente causado por um buraco negro observado da Terra em direção à Grande Nuvem de Magalhães. A luz de uma estrela de fundo localizada na GNM é desviada por um suposto buraco negro primordial (lente) no halo galáctico e ampliada quando observada da Terra. A microlente provoca uma variação muito característica do brilho da estrela de fundo, permitindo a determinação da massa e distância da lente. Crédito: J. Skowron/OGLE. Imagem de fundo da Grande Nuvem de Magalhães: gerada com bsrender escrito por Kevin Loch, usando a base de dados ESA/Gaia. Crédito: J. Skowron/OGLE. Imagem de fundo da Grande Nuvem de Magalhães: gerada com bsrender escrito por Kevin Loch, usando a base de dados ESA/Gaia
Uma população de buracos negros massivos cuja origem é um dos maiores mistérios da astronomia moderna foi detectada pelo LIGO e Virgem gdetectores de ondas ravitacionais.
De acordo com uma hipótese, estes objetos podem ter-se formado no Universo primitivo e podem compor a matéria escura, uma substância misteriosa que preenche o Universo. Uma equipa de cientistas anunciou os resultados de observações de quase 20 anos, indicando que esses buracos negros massivos podem compreender, no máximo, uma pequena percentagem de matéria escura. Portanto, outra explicação é necessária para as fontes de ondas gravitacionais.
Os resultados do estudo foram publicados em dois artigos, em Natureza e a Revista Astrofísica Série de suplementos. A pesquisa foi conduzida por cientistas da pesquisa OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment) do Observatório Astronômico da Universidade de Varsóvia.
Compreendendo a composição da matéria escura do Universo
Várias observações astronómicas indicam que a matéria comum, que podemos ver ou tocar, compreende apenas 5% da massa total e do orçamento energético do Universo. No via Lácteapara cada quilo de matéria comum nas estrelas, existem 15 quilos de “matéria escura”, que não emite luz e interage apenas através da sua atração gravitacional.
“A natureza da matéria escura permanece um mistério. A maioria dos cientistas pensa que é composto por partículas elementares desconhecidas”, afirma o Dr. Przemek Mróz, do Observatório Astronómico da Universidade de Varsóvia, autor principal de ambos os artigos. “Infelizmente, apesar de décadas de esforços, nenhum experimento (incluindo experimentos realizados com o Grande Colisor de Hádrons) encontrou novas partículas que poderiam ser responsáveis pela matéria escura.”
Eventos de microlentes esperados vs. observados por objetos massivos em direção à Grande Nuvem de Magalhães, vistos através do halo da Via Láctea. Se a matéria escura no Universo consistisse em supostos buracos negros primordiais, mais de 500 eventos de microlentes seriam detectados durante a pesquisa OGLE nos anos 2001-2020. Na realidade, o projeto OGLE registou apenas 13 deteções de eventos de microlentes, provavelmente causados por estrelas regulares. Crédito: J. Skowron/OGLE. Imagem de fundo da Grande Nuvem de Magalhães: gerada com bsrender escrito por Kevin Loch, usando a base de dados ESA/Gaia. Crédito: J. Skowron/OGLE. Imagem de fundo da Grande Nuvem de Magalhães: gerada com bsrender escrito por Kevin Loch, usando a base de dados ESA/Gaia
O mistério e o potencial dos buracos negros primordiais
Desde a primeira detecção de ondas gravitacionais de um par de buracos negros em fusão em 2015, os experimentos LIGO e Virgo detectaram mais de 90 desses eventos. Os astrônomos notaram que os buracos negros detectados pelo LIGO e Virgo são tipicamente significativamente mais massivos (20–100 massas solares) do que aqueles conhecidos anteriormente na Via Láctea (5–20 massas solares).
“Explicar porque é que estas duas populações de buracos negros são tão diferentes é um dos maiores mistérios da astronomia moderna,” diz o Dr.
Uma possível explicação postula que os detectores LIGO e Virgo descobriram uma população de buracos negros primordiais que podem ter se formado no Universo primitivo. A sua existência foi proposta pela primeira vez há mais de 50 anos pelo famoso físico teórico britânico Stephen Hawking e, de forma independente, pelo físico soviético Yakov Zeldovich.
“Sabemos que o Universo primitivo não era idealmente homogéneo – pequenas flutuações de densidade deram origem às actuais galáxias e enxames de galáxias,” diz o Dr. “Flutuações de densidade semelhantes, se excederem um contraste de densidade crítico, podem entrar em colapso e formar buracos negros.”
Desde a primeira detecção de ondas gravitacionais, cada vez mais cientistas têm especulado que esses buracos negros primordiais podem compreender uma fração significativa, se não toda, da matéria escura.
Impressão artística da Grande Nuvem de Magalhães sendo fotografada por objetos massivos no halo da Via Láctea. Crédito: J. Skowron/OGLE
Explorando a matéria escura com técnicas de microlentes
Felizmente, esta hipótese pode ser verificada com observações astronômicas. Observamos que existem grandes quantidades de matéria escura na Via Láctea. Se fosse composto por buracos negros, seríamos capazes de detectá-los na nossa vizinhança cósmica. Isso é possível, visto que os buracos negros não emitem nenhuma luz detectável?
De acordo com a teoria da relatividade geral de Einstein, a luz pode ser curvada e desviada no campo gravitacional de objetos massivos, um fenômeno chamado microlente gravitacional.
“A microlente ocorre quando três objetos – um observador na Terra, uma fonte de luz e uma lente – se alinham de forma virtualmente ideal no espaço”, diz o Prof. Andrzej Udalski, investigador principal da pesquisa OGLE. “Durante um evento de microlente, a luz da fonte pode ser desviada e ampliada, e observamos um brilho temporário da luz da fonte.”
A duração do brilho depende da massa do objeto da lente: quanto maior a massa, mais longo será o evento. Os eventos de microlente por objetos de massa solar normalmente duram várias semanas, enquanto aqueles por buracos negros que são 100 vezes mais massivos que o Sol durariam alguns anos.
A ideia de usar microlentes gravitacionais para estudar a matéria escura não é nova. Foi proposto pela primeira vez na década de 1980 pelo famoso astrofísico polonês Bohdan Paczyński. Sua ideia inspirou o início de três grandes experimentos: o polonês OGLE, o americano MACHO e o francês EROS. Os primeiros resultados destas experiências demonstraram que buracos negros com menos massa do que uma massa solar podem compreender menos de 10% da matéria escura. Estas observações não foram, no entanto, sensíveis a eventos de microlentes de escala de tempo extremamente longa e, portanto, não foram sensíveis a buracos negros massivos, semelhantes aos recentemente detectados com detectores de ondas gravitacionais.
Noite no Observatório Las Campanas, no Chile (operado pela Carnegie Institution for Science). A estação de observação do projeto OGLE e as Grandes e Pequenas Nuvens de Magalhães. Crédito: Krzysztof Ulaczyk
Estudos observacionais de longo prazo da OGLE
No novo artigo do Série de suplementos de revistas astrofísicas, os astrônomos do OGLE apresentam os resultados do monitoramento fotométrico de quase 20 anos de quase 80 milhões de estrelas localizadas em uma galáxia próxima, chamada Grande Nuvem de Magalhães, e as pesquisas por eventos gravitacionais de microlentes. Os dados analisados foram coletados durante a terceira e quarta fases do projeto OGLE de 2001 a 2020.
“Este conjunto de dados fornece as observações fotométricas mais longas, maiores e mais precisas de estrelas na Grande Nuvem de Magalhães na história da astronomia moderna”, diz o Prof.
Implicações de descobertas recentes sobre a matéria escura
O segundo artigo, publicado em Naturezadiscute as consequências astrofísicas das descobertas.
“Se toda a matéria escura da Via Láctea fosse composta por buracos negros de 10 massas solares, teríamos detectado 258 eventos de microlentes”, diz o Dr. “Para buracos negros de 100 massas solares, esperávamos 99 eventos de microlentes. Para buracos negros de 1000 massas solares – 27 eventos de microlentes.”
Em contraste, os astrónomos do OGLE encontraram apenas 13 eventos de microlentes. A sua análise detalhada demonstra que todos eles podem ser explicados pelas populações estelares conhecidas na Via Láctea ou pela própria Grande Nuvem de Magalhães, e não pelos buracos negros.
“Isso indica que buracos negros massivos podem compor no máximo uma pequena percentagem de matéria escura,” diz o Dr.
Os cálculos detalhados demonstram que buracos negros de 10 massas solares podem compreender no máximo 1,2% de matéria escura, buracos negros de 100 massas solares – 3,0% de matéria escura, e buracos negros de 1000 massas solares – 11% de matéria escura.
“Nossas observações indicam que os buracos negros primordiais não podem compreender uma fração significativa da matéria escura e, simultaneamente, explicar o observado buraco negro taxas de fusão medidas pelo LIGO e Virgo”, diz o Prof.
Portanto, outras explicações são necessárias para buracos negros massivos detectados pelo LIGO e pelo Virgo. De acordo com uma hipótese, formaram-se como produto da evolução de estrelas massivas e de baixa metalicidade. Outra possibilidade envolve fusões de objetos menos massivos em ambientes estelares densos, como aglomerados globulares.
“Nossos resultados permanecerão nos livros didáticos de astronomia nas próximas décadas”, acrescenta o Prof.
Referência:
“Não há buracos negros massivos no halo da Via Láctea” por Przemek Mróz, Andrzej Udalski, Michał K. Szymański, Igor Soszyński, Łukasz Wyrzykowski, Paweł Pietrukowicz, Szymon Kozłowski, Radosław Poleski, Jan Skowron, Dorota Skowron, Krzysztof Ulaczyk, Mariusz Gromadzki, Krzysztof Rybicki, Patryk Iwanek, Marcin Wrona e Milena Ratajczak, 24 de junho de 2024, Natureza.
DOI: 10.1038/s41586-024-07704-6
Referência: “Profundidade óptica de microlentes e taxa de eventos em direção à grande nuvem de Magalhães com base em 20 anos de observações OGLE” por Przemek Mróz, Andrzej Udalski, Michał K. Szymański, Mateusz Kapusta, Igor Soszyński, Łukasz Wyrzykowski, Paweł Pietrukowicz, Szymon Kozłowski, Radosław Poleski, Jan Skowron, Dorota Skowron, Krzysztof Ulaczyk, Mariusz Gromadzki, Krzysztof Rybicki, Patryk Iwanek, Marcin Wrona e Milena Ratajczak, 24 de junho de 2024, A série de suplementos do Astrophysical Journal.
DOI: 10.3847/1538-4365/ad452e
