O que é um buraco negro supermassivo?

Em 1971, os astrônomos ingleses Donald Lynden-Bell e Martin Rees criaram a hipótese de que um buraco negro supermassivo (BNSM) reside no centro da nossa Via Láctea. Isto foi baseado em seu trabalho com galáxias de rádio, que mostraram que as quantidades maciças de energia irradiada por esses objetos foi devido ao gás e matéria sendo acrescido para um buraco negro em seu centro.

Em 1974, a primeira evidência para este BNSM foi encontrada quando os astrónomos detectaram uma fonte de rádio maciça proveniente do centro da nossa galáxia. Esta região, que deram o nome de Sagitário A* , tem mais de 10 milhões de vezes a massa do próprio Sol. Desde a sua descoberta, os astrônomos encontraram evidências de que existem buracos negros supermassivos nos centros de galáxias espirais e galáxias elípticas no Universo observável.

Descrição:

Buracos negros (BNSM) são distintos dos buracos negros de menor massa em um número de maneiras. Para começar, uma vez de BNSM ter uma massa muito maior do que pequenos buracos negros, eles também têm uma densidade média inferior. Isto é devido ao fato de que, como todos os objetos esféricos, o volume é diretamente proporcional ao cubo do raio, enquanto a densidade mínima de um buraco negro é inversamente proporcional ao quadrado da massa.

Além disso, as forças gravitacionais na proximidade do horizonte de eventos são significativamente mais fracas para os buracos negros maciços. Tal como com a densidade, a força de maré sobre um corpo no horizonte de eventos é inversamente proporcional ao quadrado da massa. Como tal, um objeto não iria experimentar força de maré significativa até que esteja muito profundo dentro do buraco negro.

Formação:

Como os BNSMs são formados continua ser o assunto de muito debate acadêmico. Os astrofísicos acreditam em grande parte que eles são o resultado de fusões de buracos negros e da acreção de matéria. Mas de onde as “sementes” (ou seja progenitores) desses buracos negros vieram é onde ocorre discordância. Atualmente, a hipótese mais óbvia é que eles são os restos de várias estrelas massivas que explodiram e que foram formados pela acreção de matéria no centro da galáxia.

Outra hipótese é que, antes das primeiras estrelas fossem formadas em nossa galáxia, uma grande nuvem de gás em colapso em uma “quase estrela”, que tornou-se instável. Em seguida, ela se transformou em um buraco negro de cerca de 20 massas solares sem a necessidade de uma explosão de supernova. Com o tempo, acrescidos rápidos de massa a fizeram tornar-se um buraco negro intermediário, e em seguida um buraco negro supermassivo.

Em ainda um outro modelo, um conjunto estelar experimentou um colapso de núcleo denso  que resultou na dispersão de velocidade no seu núcleo, o que ocasionou velocidades relativistas devido à capacidade de calor negativo. Por último, há a hipótese de que os buracos negros primordiais podem ter sido produzidos diretamente pela pressão externa imediatamente após o Big Bang. Estas e outras hipóteses permanecem teóricas para o momento.

Sagitário A *:

Várias linhas de evidências apontam para a existência de um BNSM no centro da nossa galáxia. Enquanto não há observações diretas sendo feitas de Sagitário A *, a sua presença foi inferida a partir da influência que ele tem sobre objetos ao redor. A mais notável delas é S2, uma estrela que flui uma órbita elíptica em torno da fonte de rádio Sagitário A *.

S2 tem um período orbital de 15,2 anos e atinge uma distância mínima de 18 bilhões de km (11,18 bilhões de milhas, ou 120 AU) a partir do centro do objecto central. Apenas um objeto supermassivo poderia ser responsável por isso, já que nenhuma outra causa pode ser discernida. E a partir dos parâmetros orbitais de S2, os astrônomos foram capazes de produzir estimativas sobre o tamanho e a massa do objeto.

Por exemplo, os movimentos de S2 levaram astrônomos a calcularem que o objeto no centro da sua órbita não deve ter menos de 4,1 milhões de massas solares ( 8,2 × 10³³ toneladas; 9,04 × 10³³ toneladas americanas). Além disso, o raio deste objecto teria de ser inferior a 120 R, ou seja, de outra forma iria colidir com S2.

No entanto, a melhor prova até agora foi fornecida em 2008 pelo Instituto Max Planck de Física Extraterrestre e  o grupo UCLAs. Usando dados obtidos ao longo de um período de 16 anos pelo ESO Very Large Telescope e do telescópio Keck, eles foram capazes de estimar não apenas com precisão a distância até o centro da nossa galáxia (27.000 anos-luz da Terra), mas também acompanhar as órbitas das estrelas com imensa precisão.

Como Reinhard Genzel, chefe da equipe do Max-Planck-Instituto para Física Extraterrestre, disse :

“Sem dúvida, o aspecto mais espetacular de nosso estudo de longo prazo é que ele proporcionou o que é considerado agora como a melhor evidência empírica de que buracos negros supermassivos realmente existem. As órbitas estelares no Centro Galáctico mostram que a concentração de massa central de quatro milhões de massas solares deve ser um buraco negro, além de qualquer dúvida razoável”.

Outra indicação da presença de Sagitário A* veio em 05 de janeiro de 2015, quando a NASA relatou um alargamento em raios-X recorde vindo do centro da nossa galáxia. Com base em leituras do Observatório de Raios-X Chandra , que relataram as emissões que eram 400 vezes mais brilhante do que o habitual. Estes foram pensados como sendo o resultado de um asteroide caindo dentro do buraco negro, ou pelo entrelaçamento das linhas de campo magnético no interior do gás que flui para ele.

Outras Galáxias:

Os astrônomos também encontraram evidências de BNSMs no centro de outras galáxias do Grupo Local e além. Estes incluem a vizinha galáxia de Andrômeda (M31),a galáxia elíptica M32, e a galáxia espiral distante NGC 4395. Isto é baseado no fato de que as estrelas e nuvens de gás perto do centro destas galáxias mostram um aumento observável na velocidade.

Outra indicação é de Núcleos Ativos de Galáxias (AGNs), onde explosões maciças de rádio, microondas, infravermelho, óptico, ultra-violeta (UV), na faixa de radiofrequência de raios-X e raios gama são periodicamente detectadas provenientes das regiões de matéria fria (gás e poeira) no centro de galáxias maiores. A radiação não é proveniente dos próprios buracos negros, mas dos objetos ao redor dele e a influência do BN.

Em discos de acreção, o gás e a poeira formam-se no centro das galáxias que orbitam buracos negros supermassivos, alimentando-os gradualmente em matéria. A incrível força de gravidade na região comprime o material do disco até que atinja milhões de graus kelvin, gerando radiação luminosa e energia eletromagnética. A coroa de materiais aquece o disco de acreção e pode espalhar fótons até que ele emita na faixa dos raios-X.

A interação entre um BNSM com campo magnético rotacional e o disco de acreção também cria poderosos jatos magnéticos que faz o material queimar acima e abaixo do buraco negro a velocidades relativistas (ou seja, em uma fração significativa da velocidade da luz). Estes jatos podem se estender por centenas de milhares de anos-luz, e são uma segunda fonte potencial de radiação observada.

Quando a galáxia de Andrômeda se fundir com a nossa própria em alguns bilhões de anos, o buraco negro supermassivo que está no seu centro irá fundir-se com a nosso própria galáxia, produzindo uma galáxia mais massiva e mais poderosa (na qual gosto de me referir como Lacdrômeda). É provável que a energia desta fusão chute várias estrelas de nossa galáxia combinada (produzindo estrelas moribundas), e também é susceptível fazer com que o nosso núcleo galáctico (que está atualmente inativo) se torne ativo novamente.

O estudo de buracos negros ainda está em sua infância. E o que temos aprendido ao longo das últimas décadas só tem sido emocionante e inspirador. Com pouca massa ou supermassivo, os buracos negros são parte integrante do nosso Universo e desempenham um papel ativo na sua evolução.

Quem sabe o que iremos encontrar a medida que exploramos mais profundamente no Universo? Talvez algum dia nós com nossa tecnologia e audácia, possamos tentar atingir o pico sob o véu de um horizonte de eventos. Você consegue imaginar isso acontecendo?

Traduzido e adaptado de Universe Today