Pela terceira vez na história, descobrimos diretamente a assinatura inegável dos buracos negros: ondas gravitacionais de sua fusão. Em combinação com o que já sabemos sobre órbitas estelares próximas ao centro galáctico, observações de raios-X e rádio de outras galáxias, medidas da velocidade do movimento do gás, é impossível negar a existência de buracos negros. Mas teremos informações suficientes, dessas e de outras fontes, para nos dizer quantos buracos negros realmente existem no Universo e como eles estão distribuídos?
Na verdade, quantos buracos negros existem no Universo em comparação com as estrelas visíveis?
A primeira coisa que você gostaria de fazer é passar para a observação direta. E este é um ótimo começo.
Mapa de exposição de 7 milhões de segundos por Chandra Deep Field-South. Existem centenas de buracos negros supermassivos nesta região
Nosso melhor telescópio de raios-X até hoje é o Observatório de raios-X Chandra. De sua posição na órbita da Terra, ele pode identificar até mesmo fótons individuais de fontes distantes de raios-X. Ao criar imagens profundas de porções significativas do céu, ele pode identificar literalmente centenas de fontes de raios-X, cada uma correspondendo a uma galáxia distante além da nossa. Com base no espectro de energia dos fótons recebidos, vemos buracos negros supermassivos no centro de cada galáxia.
Mas por mais incrível que seja esta descoberta, existem muitos mais buracos negros no mundo do que um por galáxia. Claro, em cada galáxia, em média, existem pelo menos milhões ou bilhões de massas solares, mas não vemos tudo.
As massas de sistemas de buracos negros binários conhecidos, incluindo três fusões verificadas e um candidato a fusão do LIGO
Vídeo promocional:
O LIGO anunciou recentemente sua terceira detecção direta de um poderoso sinal gravitacional de uma fusão de buracos negros binários, confirmando a prevalência de tais sistemas em todo o universo. Ainda não temos estatísticas suficientes para obter uma estimativa numérica porque o limite de erro é muito alto. Mas se tomarmos como base o limite atual do LIGO e o fato de ele encontrar um sinal a cada dois meses (em média), podemos dizer com segurança que em cada galáxia do tamanho da Via Láctea que podemos sondar, há pelo menos uma dúzia dessas sistemas.
Gama LIGO avançada e sua capacidade de detectar buracos negros em fusão
Além disso, nossos dados de raios-X mostram que existem muitos buracos negros binários com massa menor; talvez consideravelmente mais do que os enormes que o LIGO pode encontrar. E isso sem levar em conta os dados que indicam a existência de buracos negros, que não estão incluídos em sistemas binários rígidos, e deve haver a maioria deles. Se nossa galáxia tem dezenas de buracos negros de massa média e alta (10-100 massas solares), deve haver centenas (3-15 massas solares) de buracos negros binários e milhares de buracos negros isolados (não binários) de massa estelar.
A ênfase aqui está em "pelo menos".
Porque os buracos negros são muito difíceis de encontrar. Até agora, podemos ver apenas os mais ativos, os mais massivos e os mais proeminentes. Os buracos negros que espiralam e se aglutinam são ótimos, mas essas configurações devem ser cosmologicamente raras. Os que Chandra viu são os mais massivos, ativos e tudo, mas a maioria dos buracos negros não são monstros na casa dos milhões de bilhões de massas solares, e a maioria dos grandes buracos negros está inativa no momento. Observamos apenas uma pequena fração de buracos negros, e isso vale a pena entender, apesar da magnificência do observado.
O que percebemos como uma explosão de radiação gama pode ocorrer a partir da fusão de estrelas de nêutrons, que ejetam matéria para o universo e criam os elementos conhecidos mais pesados, mas também criam um buraco negro no final.
No entanto, temos uma maneira de obter uma estimativa qualitativa do número e da distribuição dos buracos negros: sabemos como eles se formam. Sabemos como fazê-los a partir de estrelas jovens e massivas que se transformam em supernovas, de estrelas de nêutrons que se fundem e em processo de colapso direto. E embora as assinaturas ópticas da criação de um buraco negro sejam extremamente ambíguas, vimos estrelas suficientes, suas mortes, eventos catastróficos e formação de estrelas ao longo da história do Universo para sermos capazes de encontrar exatamente os números que procuramos.
Os restos de uma supernova nascida de uma estrela massiva deixam para trás um objeto em colapso: um buraco negro ou uma estrela de nêutrons, a partir da qual um buraco negro pode posteriormente se formar sob certas condições
Todas essas três maneiras de criar buracos negros têm suas raízes, se você as seguir até o fim, até regiões massivas de formação de estrelas. Obter:
- Supernova, você precisa de uma estrela que terá 8 a 10 vezes a massa do Sol. Estrelas maiores que 20-40 massas solares darão um buraco negro; estrelas menores - uma estrela de nêutrons.
- Uma estrela de nêutrons se fundindo em um buraco negro precisa de duas estrelas de nêutrons dançando em espirais ou colidindo, ou uma estrela de nêutrons sugando massa de uma estrela companheira até um certo limite (cerca de 2,5-3 massas solares) para se tornar um buraco negro.
- Colapso direto de um buraco negro, você precisa de material suficiente em um lugar para formar uma estrela 25 vezes mais massiva que o Sol, e certas condições para obter com precisão um buraco negro (não uma supernova).
Fotografias do Hubble mostram uma estrela massiva 25 vezes mais massiva do que o Sol, que simplesmente desapareceu sem supernova ou outra explicação. O colapso direto será a única explicação possível
Em nossa vizinhança, podemos medir, de todas as estrelas que estão se formando, quantas delas têm a massa correta para se tornar potencialmente um buraco negro. Descobrimos que apenas 0,1-0,2% de todas as estrelas próximas têm massa suficiente para se transformar em supernova, com a grande maioria formando estrelas de nêutrons. Cerca de metade dos sistemas que formam sistemas binários (binários), entretanto, incluem estrelas de massas comparáveis. Em outras palavras, a maioria dos 400 bilhões de estrelas que se formaram em nossa galáxia nunca se tornarão buracos negros.
Um sistema de classificação espectral moderno para sistemas Morgan-Keenan com a faixa de temperatura de cada classe estelar em Kelvin. A grande maioria (75%) das estrelas hoje são estrelas da classe M, das quais apenas 1 em 800 têm massa suficiente para se tornarem supernovas
Mas tudo bem, porque alguns deles vão. Mais importante, muitos já se tornaram, embora em um passado distante. Quando as estrelas se formam, você obtém uma distribuição de massa: você obtém algumas estrelas massivas, ligeiramente maiores do que a média, e muitas estrelas de baixa massa. Tantas estrelas de baixa massa de classe M (anãs vermelhas) com uma massa de apenas 8-40% da massa solar constituem três quartos das estrelas em nossa vizinhança. Novos aglomerados de estrelas não terão muitas estrelas massivas que poderiam se tornar supernovas. Mas, no passado, as regiões de formação de estrelas eram muito maiores e mais ricas em massa do que a Via Láctea é hoje.
O maior berçário estelar do grupo local, 30 Doradus na Nebulosa da Tarântula, contém as estrelas mais massivas conhecidas pelo homem. Centenas deles (nos próximos milhões de anos) se tornarão buracos negros
Acima você vê 30 Doradus, a maior região de formação de estrelas do grupo local, com uma massa de 400.000 sóis. Existem milhares de estrelas quentes e muito azuis nesta região, das quais centenas se tornarão supernovas. 10-30% deles se transformarão em buracos negros e o restante se transformará em estrelas de nêutrons. Assumindo que:
- houve muitas dessas regiões em nossa galáxia no passado;
- as maiores regiões de formação de estrelas estão concentradas ao longo dos braços espirais e em direção ao centro galáctico;
- onde vemos pulsares (restos de estrelas de nêutrons) e fontes de raios gama hoje, haverá buracos negros, - podemos fazer um mapa e mostrar nele onde estarão os buracos negros.
O satélite Fermi da NASA mapeou as altas energias do universo em alta resolução. Buracos negros em uma galáxia em um mapa provavelmente seguirão ejeções com pequena dispersão e serão resolvidos por milhões de fontes separadas.
Este é o mapa de Fermi das fontes de raios gama no céu. É semelhante ao mapa estelar de nossa galáxia, exceto que destaca fortemente o disco galáctico. As fontes mais antigas se esgotaram em raios gama, então são fontes pontuais relativamente novas.
Comparado a este mapa, o mapa do buraco negro será:
- mais concentrado no centro galáctico;
- ligeiramente mais borrado em largura;
- inclui protuberância galáctica;
- consistem em 100 milhões de objetos, mais ou menos o erro.
Se você criar um híbrido do mapa Fermi (acima) e do mapa da galáxia COBE (abaixo), poderá obter uma imagem quantitativa da localização dos buracos negros na galáxia.
Galáxia visível no infravermelho do COBE. Embora este mapa mostre estrelas, os buracos negros seguirão uma distribuição semelhante, embora mais comprimidos no plano galáctico e mais centralizados em direção ao bojo.
Os buracos negros são reais, comuns e a grande maioria deles é extremamente difícil de detectar hoje. O universo existe há muito tempo e, embora vejamos um grande número de estrelas, a maioria das estrelas mais massivas - 95% ou mais - já morreu. O que eles se tornaram? Cerca de um quarto deles se tornaram buracos negros, milhões ainda estão se escondendo.
Um buraco negro bilhões de vezes mais massivo que o Sol alimenta um jato de raios-X no centro de M87, mas deve haver bilhões de outros buracos negros nesta galáxia. Sua densidade estará concentrada no centro galáctico
Galáxias elípticas rodam buracos negros em um enxame elíptico que enxameia ao redor do centro galáctico, muito parecido com as estrelas que vemos. Muitos buracos negros eventualmente migram para o poço gravitacional no centro da galáxia - é por isso que buracos negros supermassivos se tornam supermassivos. Mas ainda não vemos o quadro completo. E não veremos até aprendermos a visualizar qualitativamente os buracos negros.
Na ausência de visualização direta, a ciência apenas nos dá isso e nos diz algo notável: para cada mil estrelas que vemos hoje, existe aproximadamente um buraco negro. Não é uma estatística ruim para objetos completamente invisíveis, você deve concordar.
ILYA KHEL
