Esta ilustração mostra um homicídio cósmico em ação. Uma estrela rebelde está sendo destruída pela intensa atração gravitacional de um buraco negro que contém dezenas de milhares de massas solares. Os restos estelares estão formando um disco de acreção ao redor do buraco negro. Flares de raios-X do disco de gás superaquecido alertaram os astrônomos sobre a localização do buraco negro; caso contrário, espreitava desconhecido no escuro. O objeto indescritível é classificado como um buraco negro de massa intermediária (IMBH), pois é muito menos massivo do que os buracos negros monstruosos que habitam os centros das galáxias. Portanto, IMBHs são em sua maioria quiescentes porque não puxam tanto material, e são difíceis de encontrar. As observações do Hubble fornecem evidências de que o IMBH mora dentro de um denso aglomerado de estrelas. O próprio aglomerado pode ser o núcleo despojado de uma galáxia anã. Crédito:NASA, ESA e D. Player (STScI)
Astrônomos encontraram a melhor evidência do autor de um homicídio cósmico:um buraco negro de uma classe indescritível conhecida como "massa intermediária, "que traiu sua existência destruindo uma estrela rebelde que passou perto demais.
Pesando cerca de 50, 000 vezes a massa do nosso Sol, o buraco negro é menor do que os buracos negros supermassivos (em milhões ou bilhões de massas solares) que se encontram nos núcleos de grandes galáxias, mas maior do que os buracos negros de massa estelar formados pelo colapso de uma estrela massiva.
Esses chamados buracos negros de massa intermediária (IMBHs) são um "elo perdido" há muito procurado na evolução dos buracos negros. Embora tenha havido alguns outros candidatos IMBH, os pesquisadores consideram essas novas observações a evidência mais forte de buracos negros de tamanho médio no universo.
Foi necessário o poder combinado de dois observatórios de raios-X e a visão aguçada do telescópio espacial Hubble da NASA para acertar a besta cósmica.
"Os buracos negros de massa intermediária são objetos muito evasivos, e por isso é fundamental considerar cuidadosamente e descartar explicações alternativas para cada candidato. Isso é o que Hubble nos permitiu fazer por nosso candidato, "disse Dacheng Lin, da University of New Hampshire, investigador principal do estudo. Os resultados são publicados em 31 de março de 2020, no Astrophysical Journal Letters .
A história da descoberta parece uma história de Sherlock Holmes, envolvendo a meticulosa construção de caso passo a passo necessária para capturar o culpado.
Lin e sua equipe usaram o Hubble para acompanhar as indicações do Observatório de Raios-X Chandra da NASA e da Missão Multi-Espelho de Raios-X da ESA (Agência Espacial Européia) (XMM-Newton). Em 2006, esses satélites detectaram um poderoso surto de raios-X, mas eles não puderam determinar se ele se originou de dentro ou de fora de nossa galáxia. Os pesquisadores atribuíram isso a uma estrela sendo dilacerada após chegar muito perto de um objeto compacto gravitacionalmente poderoso, como um buraco negro.
Surpreendentemente, a fonte de raios-X, denominado 3XMM J215022.4? 055108, não estava localizado no centro de uma galáxia, onde buracos negros massivos normalmente residiriam. Isso aumentou as esperanças de que um IMBH fosse o culpado, mas primeiro, outra possível fonte da explosão de raios-X teve que ser descartada:uma estrela de nêutrons em nossa própria galáxia, a Via Láctea, resfriando após ser aquecido a uma temperatura muito alta. Estrelas de nêutrons são os restos esmagados de uma estrela que explodiu.
O Hubble foi apontado para a fonte de raios-X para determinar sua localização precisa. Profundo, imagens de alta resolução fornecem fortes evidências de que os raios-X não emanaram de uma fonte isolada em nossa galáxia, mas em vez de um distante, denso aglomerado de estrelas nos arredores de outra galáxia - exatamente o tipo de lugar que os astrônomos esperavam encontrar um IMBH. Pesquisas anteriores do Hubble mostraram que a massa de um buraco negro no centro de uma galáxia é proporcional à protuberância central da galáxia hospedeira. Em outras palavras, quanto mais massiva for a galáxia, mais maciço é o seu buraco negro. Portanto, o aglomerado de estrelas que é o lar de 3XMM J215022.4? 055108 pode ser o núcleo despojado de uma galáxia anã de menor massa que foi gravitacional e maré perturbada por suas interações próximas com sua galáxia hospedeira maior atual.
Esta imagem do Telescópio Espacial Hubble identificou a localização de um buraco negro de massa intermediária, pesando 50, 000 vezes a massa do nosso Sol (tornando-o muito menor do que os buracos negros supermassivos encontrados no centro das galáxias). O buraco negro, denominado 3XMM J215022.4? 055108, é indicado pelo círculo branco. O tipo indescritível de buraco negro foi identificado pela primeira vez em uma explosão de raios-X reveladores emitidos por gás quente de uma estrela quando foi capturada e destruída pelo buraco negro. O Hubble era necessário para localizar a localização do buraco negro na luz visível. Hubble é profundo, imagens de alta resolução mostram que o buraco negro reside dentro de um denso aglomerado de estrelas que está muito além da nossa galáxia, a Via Láctea. O aglomerado de estrelas está nas proximidades da galáxia no centro da imagem. Galáxias de fundo de aparência muito menor aparecem espalhadas ao redor da imagem, incluindo uma espiral frontal logo acima da galáxia central em primeiro plano. Esta foto foi tirada com a Câmera Avançada para Pesquisas do Hubble. Crédito:NASA, ESA e D. Lin (University of New Hampshire)
Os IMBHs têm sido particularmente difíceis de encontrar porque são menores e menos ativos do que os buracos negros supermassivos; eles não têm fontes de combustível prontamente disponíveis, nem uma atração gravitacional tão forte para atrair estrelas e outro material cósmico que produziria brilhos reveladores de raios-X. Os astrônomos basicamente precisam pegar um IMBH em flagrante no ato de engolir uma estrela. Lin e seus colegas vasculharam o arquivo de dados XMM-Newton, pesquisando centenas de milhares de observações para encontrar um candidato IMBH.
O brilho de raios-X da estrela fragmentada permitiu aos astrônomos estimar a massa do buraco negro de 50, 000 massas solares. A massa do IMBH foi estimada com base na luminosidade dos raios-X e na forma espectral. "Isso é muito mais confiável do que usar a luminosidade de raios-X sozinha, como normalmente feito antes para candidatos IMBH anteriores, "disse Lin." A razão pela qual podemos usar os ajustes espectrais para estimar a massa IMBH para o nosso objeto é que sua evolução espectral mostrou que ele esteve no estado espectral térmico, um estado comumente visto e bem compreendido na agregação de buracos negros de massa estelar. "
This artist's impression depicts a star being torn apart by an intermediate-mass black hole (IMBH), surrounded by an accretion disc. This thin, rotating disc of material consists of the leftovers of a star which was ripped apart by the tidal forces of the black hole. Crédito:ESA / Hubble, M. Kornmesser
This object isn't the first to be considered a likely candidate for an intermediate-mass black hole. In 2009 Hubble teamed up with NASA's Swift observatory and ESA's XMM-Newton to identify what is interpreted as an IMBH, called HLX-1, located towards the edge of the galaxy ESO 243-49. It too is in the center of a young, massive cluster of blue stars that may be a stripped-down dwarf galaxy core. The X-rays come from a hot accretion disk around the black hole. "The main difference is that our object is tearing a star apart, providing strong evidence that it is a massive black hole, instead of a stellar-mass black hole as people often worry about for previous candidates including HLX-1, " Lin said.
Finding this IMBH opens the door to the possibility of many more lurking undetected in the dark, waiting to be given away by a star passing too close. Lin plans to continue his meticulous detective work, using the methods his team has proved successful. Many questions remain to be answered. Does a supermassive black hole grow from an IMBH? How do IMBHs themselves form? Are dense star clusters their favored home?
