Nota de Imprensa

Comportamento estranho de estrela revela buraco negro solitário em enxame estelar gigante

17 de Janeiro de 2018

Com o auxílio do instrumento MUSE do ESO, montado no Very Large Telescope no Chile, os astrónomos descobriram uma estrela no enxame NGC 3201 a comportar-se de forma muito estranha. A estrela parece orbitar um buraco negro invisível com cerca de quatro vezes a massa do Sol — o primeiro buraco negro inativo de massa estelar a ser encontrado num enxame globular e o primeiro descoberto diretamente através da detecção do seu efeito gravitacional. Esta importante descoberta tem um forte impacto na nossa compreensão da formação destes enxames estelares, buracos negros e origem de eventos de ondas gravitacionais.

Os enxames estelares globulares são enormes esferas de dezenas de milhares de estrelas que orbitam a maioria das galáxias. Estes objetos encontram-se entre os sistemas estelares mais velhos conhecidos no Universo, datando do início da formação e evolução galáctica. Atualmente, conhecem-se mais de 150 destes enxames pertencentes à Via Láctea.

Um deles em particular, chamado NGC 3201 e situado na constelação austral da Vela, foi agora estudado com o auxílio do instrumento MUSE, montado no Very Large Telescope do ESO no Chile. Uma equipa internacional de astrónomos descobriu que uma das estrelas [1] do NGC 3201 se comporta de modo muito estranho — está a ser lançada para trás e para a frente com uma velocidade de várias centenas de milhares de km por hora, num ciclo que se repete a cada 167 dias [2].

O autor principal Benjamin Giesers (Georg-August-Universität Göttingen, Alemanha) ficou intrigado com este comportamento: “A estrela estava a orbitar algo completamente invisível, com uma massa de mais de quatro vezes a massa do Sol — ou seja, apenas podia ser um buraco negro! O primeiro encontrado num enxame globular por observação direta do seu efeito gravitacional.”

A relação entre buracos negros e enxames globulares é importante mas misteriosa. Devido à sua grande massa e idade elevada, pensa-se que estes enxames deram origem a um elevado número de buracos negros estelares — formados quando estrelas massivas no seu seio explodiram e colapsaram ao longo da extensa vida do enxame [3] [4].

O instrumento MUSE do ESO deu aos astrónomos a capacidade única de medir os movimentos de milhares de estrelas distantes em simultâneo. Deste modo, a equipa conseguiu detectar pela primeira vez um buraco negro inativo no coração de um enxame globular — ou seja, um buraco negro que não está atualmente a “engolir” matéria e não se encontra rodeado por um disco brilhante de gás. A equipa conseguiu estimar a massa do buraco negro a partir dos movimentos da estrela que se encontra sobre a influência da sua enorme atração gravitacional [5].

Através das propriedades observadas, determinou-se que a estrela tem cerca de 0,8 vezes a massa do nosso Sol e calculou-se que a massa do seu misterioso companheiro é cerca de 4,36 vezes a massa solar — o que faz dele quase de certeza um buraco negro [6].

Detecções recentes de fontes rádio e raios X em enxames globulares, assim como a detecção de 2016 de sinais de ondas gravitacionais produzidas pela fusão de dois buracos negros de massa estelar, sugerem que estes buracos negros relativamente pequenos podem ser mais comuns em enxames globulares do que o que se pensava anteriormente.

Giesers conclui: “Até há pouco tempo, assumia-se que quase todos os buracos negros desapareceriam dos enxames globulares após um curto período e que sistemas como este não deveriam sequer existir. Mas este não é, claramente, o caso — a nossa descoberta é a primeira detecção direta dos efeitos gravitacionais de um buraco negro de massa estelar num enxame globular. Esta descoberta ajuda-nos a compreender melhor a formação dos enxames globulares e a evolução de buracos negros e sistemas binários — aspectos vitais para a compreensão das fontes de ondas gravitacionais.”

Notas

[1] A estrela descoberta está na fase final da sequência principal. Tendo queimado já todo o seu hidrogénio principal, está agora a caminho de se tornar uma gigante vermelha.

[2] Está atualmente a ser levado a cabo um grande rastreio de 25 enxames globulares situados em torno da Via Láctea, com o instrumento MUSE do ESO e com o apoio do consórcio MUSE. Este rastreio dará aos astrónomos espectros de 600 a 27 000 estrelas em cada enxame. O estudo inclui a análise da “velocidade radial” de estrelas individuais — a velocidade à qual estes objetos se deslocam em direção à Terra ou na direção oposta, segundo a linha de visão do observador. Com medições de velocidades radiais, é possível determinar as órbitas das estrelas, assim como as propriedades de qualquer objeto massivo que estas estejam a orbitar.

[3] Na ausência de formação estelar contínua, como é o caso dos enxames globulares, os buracos negros de massa estelar tornam-se rapidamente os objetos mais massivos presentes. Geralmente, os buracos negros estelares em enxames globulares são cerca de quatro vezes mais massivos que as estrelas de baixa massa que os rodeiam. Teorias recentes concluíram que os buracos negros formam um núcleo denso no seio do enxame, o qual se separa depois do resto do material globular. Pensa-se por isso que movimentos no centro do enxame ejetem a maioria dos buracos negros, o que significa que apenas alguns sobrevivem após um milhar de milhão de anos.

[4] Os buracos negros estelares formam-se quando estrelas massivas morrem, colapsando sob a sua própria gravidade e explodindo sob a forma de poderosas hipernovas. Para trás fica um buraco negro com a maior parte da massa da estrela original, a qual pode variar entre algumas massas solares e várias dezenas de vezes a massa do Sol.

[5] Como a luz não consegue escapar dos buracos negros devido à enorme gravidade destes objetos, o método principal de detecção de buracos negros é através de observações de radiação rádio e raios X emitida pelo material quente que os rodeia. No entanto, quando um buraco negro não se encontra a interagir com matéria quente e portanto não acumula massa ou emite radiação, encontra-se inativo e invisível, sendo por isso necessário aplicar outro método de detecção.

[6] Uma vez que o objeto não luminoso neste sistema binário não se consegue observar diretamente, existem explicações alternativas, se bem que menos plausíveis, para o que poderá ser. Por exemplo, poderia talvez ser um sistema estelar triplo composto de duas estrelas de neutrões fortemente ligadas, com a estrela observada a orbitar em torno destas. Este cenário requereria que cada uma das estrelas fortemente ligadas tivesse pelo menos duas vezes a massa do Sol, um sistema binário que nunca foi observado até agora.

Informações adicionais

Este trabalho foi descrito num artigo científico intitulado “A detached stellar-mass black hole candidate in the globular cluster NGC 3201”, de B. Giesers et al., que será publicado na revista da especialidade Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

A equipa é composta por Benjamin Giesers (Georg-August-Universität Göttingen, Alemanha), Stefan Dreizler (Georg-August-Universität Göttingen, Alemanha), Tim-Oliver Husser (Georg-August-Universität Göttingen, Alemanha), Sebastian Kamann (Georg-August-Universität Göttingen, Alemanha; Liverpool John Moores University, Liverpool, Reino Unido), Guillem Anglada Escudé (Queen Mary University of London, Reino Unido), Jarle Brinchmann (Observatório de Leiden, Universidade de Leiden, Leiden, Holanda; Universidade do Porto, CAUP, Porto, Portugal), C. Marcella Carollo (Instituto de Tecnologia Federal Suíço, ETH, Zurich, Suíça) Martin M. Roth (Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam, Potsdam, Alemanha), Peter M. Weilbacher (Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam, Potsdam, Alemanha) e Lutz Wisotzki (Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam, Potsdam, Alemanha).

O ESO é a mais importante organização europeia intergovernamental para a investigação em astronomia e é de longe o observatório astronómico mais produtivo do mundo. O ESO é  financiado por 16 países: Alemanha, Áustria, Bélgica, Brasil, Dinamarca, Espanha, Finlândia, França, Holanda, Itália, Polónia, Portugal, Reino Unido, República Checa, Suécia e Suíça, assim como pelo Chile, o país de acolhimento, e pela Austrália, como parceiro estratégico. O ESO destaca-se por levar a cabo um programa de trabalhos ambicioso, focado na concepção, construção e operação de observatórios astronómicos terrestres de ponta, que possibilitam aos astrónomos importantes descobertas científicas. O ESO também tem um papel importante na promoção e organização de cooperação na investigação astronómica. O ESO mantém em funcionamento três observatórios de ponta no Chile: La Silla, Paranal e Chajnantor. No Paranal, o ESO opera  o Very Large Telescope, o observatório astronómico óptico mais avançado do mundo e dois telescópios de rastreio. O VISTA, o maior telescópio de rastreio do mundo que trabalha no infravermelho e o VLT Survey Telescope, o maior telescópio concebido exclusivamente para mapear os céus no visível. O ESO é um parceiro principal no ALMA, o maior projeto astronómico que existe atualmente. E no Cerro Armazones, próximo do Paranal, o ESO está a construir o Extremely Large Telescope (ELT) de 39 metros, que será “o maior olho do mundo virado para o céu”.

Links

• Artigo científico
• Informações sobre o instrumento MUSE montado no VLT
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Georg-August-Universität Göttingen
Göttigen, Germany
Email: giesers@astro.physik.uni-goettingen.de

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Georg-August-Universität Göttingen
Göttigen, Germany
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Este texto é a tradução da Nota de Imprensa do ESO eso1802, cortesia do ESON, uma rede de pessoas nos Países Membros do ESO, que servem como pontos de contacto local com os meios de comunicação social, em ligação com os desenvolvimentos do ESO. A representante do nodo português é Margarida Serote.