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Apenas alguns meses após a sua descoberta, as ondas gravitacionais provenientes das fusões de buracos negros estão sacudindo a astrofísica.
Em um discurso no mês passado em Santa Barbara, Califórnia, abordando alguns dos astrofísicos mais importantes do mundo, Selma de Mink foi direto ao assunto. "Como é que eles se formam?", começou ela.
"Eles", como todos sabiam, foram dois buracos negros maciços que, a mais de 1 bilhão de anos atrás, em um canto remoto do cosmos, mesclando-se juntos em uma espiral, criaram ondas no tecido do espaço e do tempo. Foram estas "ondas gravitacionais" que, em 14 de setembro de 2015, passaram pela Terra, dedilhando os detectores ultra-sensíveis da Gravitational-Wave Observatory Laser Interferometer (LIGO). A descoberta de LIGO, anunciada em fevereiro, triunfalmente confirmando a previsão de Albert Einstein sobre a existência das ondas gravitacionais em de 1916. Ao ajustar-se para esses pequenos tremores no espaço-tempo e revelando pela primeira vez a atividade invisível de buracos negros - objetos tão denso que nem mesmo a luz pode escapar de sua atração gravitacional - a LIGO prometeu abrir uma nova janela sobre o universo, algo semelhante, alguns disseram, quando Galileo apontou pela primeira vez um telescópio para o céu.
Agora, os novos dados de ondas gravitacionais abalaram o campo da astrofísica. Em resposta, três dezenas de especialistas passaram duas semanas em agosto na triagem dos dados no Instituto Kavli de Física Teórica (KITP) em Santa Barbara.
Pulando para as discussões, de Mink, uma professora assistente de astrofísica da Universidade de Amesterdão, explicou que das duas - e possivelmente mais - fusões de buracos negros que LIGO detectou até agora, o primeiro e mais poderoso evento, chamado de GW150914, apresentou o maior quebra-cabeça. Era esperado que a LIGO identificasse pares de buracos negros pesando na faixa de 10 vezes a massa do Sol, mas eles tinham cerca de 30 massas solares cada. "Lá estão eles - buracos negros maciços, muito mais maciços do que nós pensamos que eles eram", disse de Mink. "Então, como é que eles se formam?"
Selma de Mink, da Universidade de Amsterdã criou uma nova hipótese afirmando que pares de buracos negros próximos o suficiente para fundir vêm de estrelas massivas cujos conteúdos foram misturados até que se tornem homogêneos.
O mistério, ela explicou, é duplo: Como é que os buracos negros ficam tão enormes, considerando que as estrelas, algumas das quais colapsam para formar buracos negros, geralmente expulsam a maior parte de sua massa antes de morrer, e como eles chegaram tão perto um do outro - próximo o suficiente para fundir dentro do tempo de vida do universo? "Estas são duas coisas que são meio que mutuamente exclusivas", disse de Mink. Um par de estrelas gigantes que nascem juntas normalmente se misturam e se fundem antes mesmo de colapso em buracos negros, não conseguindo chutar ondas gravitacionais detectáveis.
A resposta da história por trás de GW150914 "está desafiando toda a nossa compreensão", disse Matteo Cantiello, astrofísico do KITP. Os peritos devem refazer os passos incertos, desde o momento da fusão e retrocedendo até no nascimento, vida e morte de um par de estrelas - uma sequência que envolve muita astrofísica para entender. "Isto realmente vai revitalizar certas questões antigas em nossa compreensão das estrelas", disse Eliot Quataert , professor de astronomia da Universidade da Califórnia, Berkeley, e um dos organizadores do programa KITP. Compreender os dados da LIGO vai exigir um ajuste de contas para entender quando e por que estrelas se tornam supernovas; quais se transformam nesse tipos de restos estelares; como a composição, massa e rotação das estrelas afetam a sua evolução; como seus campos magnéticos operam; e muito mais.
O trabalho está apenas começando, mas as primeiras detecções da LIGO tem empurrado duas teorias de formação do buraco negro binário para a frente. Ao longo das duas semanas em Santa Barbara, uma rivalidade aquecida entre o novo modelo "quimicamente homogêneo" para a formação de binários de buracos negros, propostos por de Mink e colegas no início deste ano, e o modelo clássico do "envelope comum" defendido por muitos outros especialistas. Ambas as hipótese (e um conjunto de concorrentes) podem ser verdade em algum lugar no cosmos, mas provavelmente apenas uma deles representa a grande maioria das fusões de buracos negros. "Na ciência, disse Daniel Holz , da Universidade de Chicago, um defensor da hipótese do "envelope", geralmente há apenas um processo dominante -. Para qualquer coisa"
O conjunto des estrela R136 no centro da Nebulosa da Tarântula dá origem a muitas estrelas de grande massa, que poderão ser as progenitoras de binários de buracos negros. NASA, ESA, F. Paresce, R. O’Connell and the Wide Field Camera 3 Science Oversight Committee
Histórias das Estrelas
A história de GW150914 quase certamente começa com estrelas massivas - aquelas que são pelo menos oito vezes tão pesadas quanto o sol e que, apesar de raras, desempenham um papel de protagonistas em galáxias. Estrelas massivas são aquelas que explodem como supernovas, expelindo matéria para o espaço a reciclando-se como novas estrelas; apenas os seus núcleos, em seguida, entram em colapso em buracos negros e estrelas de nêutrons, que criam fenômenos exóticos e influentes, tais como explosões de raios gama, pulsares e binários de raios-X. De Mink e colaboradores mostraram em 2012 que estrelas massivas mais conhecidas vivem em sistemas binários. Estrelas massivas binárias, "dançam" e " se beijam" sugando combustível de hidrogênio uma da outra "como vampiras", dependendo das circunstâncias. Mas quais as circunstâncias que levam-las a encolher por trás dos véus de escuridão, e depois colidirem?
A história convencional do envelope-comum, desenvolvida ao longo de décadas começando na década de 1970 com o trabalho dos cientistas soviéticos Aleksandr Tutukov e Lev Yungelson, fala de um par de estrelas de grande massa que são nascidas em uma ampla órbita. Como a primeira estrela fica sem combustível em seu núcleo, suas camadas exteriores sopram seu hidrogênio, formando uma "supergigante vermelha." Grande parte deste gás hidrogênio é sugado para fora pela segunda estrela, no estilo vampiro, e o núcleo da primeira estrela, eventualmente cai em um buraco negro. A interação chama o par mais próximo, de modo que quando a segunda estrela incha em uma supergigante, ela engole os dois em um envelope-comum. Os companheiros afundam cada vez mais à medida que percorrem o gás hidrogênio. Eventualmente, o envelope é perdido para o espaço, e o núcleo da segunda estrela, como a primeira, colapsa para um buraco negro. Os dois buracos negros, dessa forma, estão perto o suficiente para fundir-se algum dia.
Como as estrelas perderam muita massa, está previsto para este modelo produzir pares de buracos negros mais leves, pesando na faixa de 10 massas solares. O segundo sinal de LIGO, a partir da fusão de buracos negros de oito e 14 massas solares, é um home run para o modelo. Mas alguns especialistas dizem que o primeiro evento, o GW150914, é um exagero.
Em um artigo de junho na Nature, Holz e os colaboradores Krzysztof Belczynski, Tomasz Bulik e Richard O'Shaughnessy argumentaram que envelopes comuns podem, teoricamente, produzirem fusões de buracos negros de 30 massas solares se as estrelas progenitoras pesarem algo como 90 massas solares e quase não contêm metais (que aceleria a perda de massa). Tais sistemas binários pesados tendem a ser relativamente raros no universo, levantando dúvidas sobre se LIGO teria observado tal fusão tão cedo. Em Santa Barbara, os cientistas concordaram que se LIGO detecta muitas fusões muito pesadas em relação as mais leves, isso vai enfraquecer a hipótese do envelope-comum.
O modelo quimicamente homogêneo começa com um par de estrelas massivas que estão girando em torno de si de forma extremamente rápida e tão juntas que elas se bloqueiam com suas forças de marés, como dançarinos de tango. No tango, "você deve estar muito próximo, para que que seus corpos se enfrentem o tempo todo", disse de Mink, uma dançarina nata. "E isso significa que você está girando em torno de si, mas também o obriga a girar em torno de seu próprio eixo". Este giro agita as estrelas, tornando-as quentes e homogênea. E esse processo pode permitir que as estrelas se submetam a fusão ao longo de todo o seu interior, em vez de apenas seus núcleos, até que ambas as estrelas usem todo o seu combustível. Como as estrelas não se expandem, eles não se misturam ou agregam-se em massa. Em vez disso, cada uma desmorona em seu próprio peso em um buraco negro maciço. Os buracos negros dançam por alguns bilhões de anos, gradualmente em espiral cada vez mais próximos, até que, em uma fração de segundo no espaço-tempo-flambado, eles se fundem.
De Mink e Mandel apresentaram seu modelo quimicamente homogêneo em um artigo publicado on-line em janeiro. Outro trabalho propondo a mesma ideia, por pesquisadores da Universidade de Bonn, liderados pelo estudante Pablo Marchant, apareceu dias depois. Quando a LIGO anunciou a detecção de GW150914 no mês seguinte, a teoria quimicamente homogênea ganhou proeminência.
No entanto, além de algumas evidências provisórias, a existência de estrelas agitadas é especulativa. E alguns especialistas questionam a eficácia do modelo. As simulações sugerem que o modelo quimicamente homogêneo se esforça para explicar menores binários de buracos negros como os do segundo sinal da LIGO. Pior, a dúvida surgiu como a quão supostamente a hipótese responsável por GW150914, será a princioal história de sucesso. "É um modelo muito elegante", disse Holz. "É muito convincente. O problema é que ela não parece funcionar plenamente ".
Tudo girando
Junto com as massas dos buracos negros em colisão, os sinais de ondas gravitacionais do LIGO também revelam se os buracos negros estavam girando. Na primeira, os pesquisadores recebem menos atenção para a medição de rotação, em parte porque as ondas gravitacionais registraram somente a centrifugação,o modo com que os buracos negros estão girando em torno do mesmo eixo que orbitam um ao outro ao redor, não dizendo nada sobre rotação em outras direções. No entanto, em um documento de Maio, os pesquisadores do Instituto de Estudos Avançados de Princeton, NJ, e da Universidade Hebraica de Jerusalém argumentaram que o tipo de rotação medida pela LIGO é exatamente a prevista para buracos se formarem através do qual a hipótese quimicamente homogênea prediz. (Dançarinos de tango giram e orbitam-se na mesma direção). E, no entanto, os buracos negros de 30 massas solares em GW150914, caso existam, foram medidos tendo uma rotação muito baixa e aparentemente é um golpe contra o cenário do tango.
"Girar é um problema para a hipótese quimicamente homogênea?" perguntou Sterl Phinney, professor de astrofísica do Instituto de Tecnologia da Califórnia, em Santa Barbara. Depois de algum debate, os cientistas concordaram que a resposta foi sim.
No entanto, poucos dias depois, de Mink, Marchant e Cantiello encontraram uma saída possível para a hipótese. Cantiello, que recentemente fez avanços no estudo de campos magnéticos estelares, percebeu que as estrelas Dançarinas de Tango da hipótese quimicamente homogênea estão, essencialmente, esferas girando com poderosos campos magnéticos, e esses campos magnéticos são susceptíveis de causar uma transmissão das camadas exteriores da estrela para os polos fortes. Da mesma forma que uma patinadora girando desacelera quando ela estende os braços, estes pólos agiriam como freios, reduzindo gradualmente a rotação das estrelas. O trio já trabalhou para ver se suas simulações confirmam esta imagem. Quataert chamou a ideia de "plausível, mas talvez um pouco desonesta."
No último dia do programa, preparando o palco para um Outono repleto de eventos quando a LIGO voltar a ficar online com maior sensibilidade e mais sinais de ondas gravitacionais rolarem, os cientistas assinaram a "Declaração de Phinney," uma lista de instruções concretas sobre o que suas várias teorias irão prever. "Apesar de todos os modelos para binários de buracos negros possam ser criados (exceto aqueles inferiores propostos por nossos concorrentes)," o início da declaração, redigida por Phinney, diz: "esperamos que os dados observacionais em breve se tornem decididamente desiguais."
A medida que os dados se acumulam, uma hipótese oprimida de formação de buracos negros binários ganha força - por exemplo, a noção de que os binários formar através de interações dinâmicas dentro de regiões densas de formação estelar chamadas "aglomerados globulares". A primeira execução da LIGO sugeriu que fusões de buraco negro são mais comuns do que prevê o modelo de aglomerado globular. Mas talvez o experimento teve sorte da última vez e a taxa de fusão estimada irá cair.
Somando-se a essa mistura, um grupo de cosmólogos recentemente teorizou que GW150914 pode ter chegado a partir da fusão de buracos negros primordiais, que nunca foram estrelas, para começar, mas sim formaram-se logo após o Big Bang a partir do colapso de remendos energéticos de espaço-tempo. Curiosamente, os pesquisadores argumentaram em um artigo recente na revista Physical Review Letters que tais buracos negros primordiais de 30 massas solares poderiam incluir toda a "matéria escura" que permeia o cosmos. Há uma maneira de testar a ideia através dos sinais astrofísicos chamados rajadas de rádio rápidas.
É talvez demasiado cedo para se debruçar sobre uma possibilidade tão atraente; astrofísicos apontam que isso exigiria suspeitosamente uma ótima sorte para os buracos negros do Big Bang se mesclarem para nós os detectarmos, 13,8 bilhões de anos mais tarde. Este é outro exemplo da nova lógica que os investigadores têm de enfrentar no início da astronomia de ondas gravitacionais. "Estamos numa fase muito divertida", disse de Mink. "Esta é a primeira vez que estamos pensando nesses cenários".
Traduzido e adaptado de Quanta Magazine
Uma galáxia brilhante no início do universo provavelmente contém um tipo misterioso de buraco negro que existia anteriormente apenas em teoria, segundo um novo estudo.
Nuvens primordiais de gás e poeira podem ter entrado em colapso para formar uma grande estrela única, que rapidamente se tornou a semente para um buraco negro supermassivo. A imagem baseada em uma simulação de computador, o gás flui ao longo de filamentos de matéria escura. As primeiras galáxias se formaram na intersecção de tais filamentos. Crédito: Aaron Smith / TACC / UT-Austin
Este provável "colapso direto" de buraco negro pode ajudar a explicar como os buracos negros supermassivos - os gigantes de luz devoradores que se escondem nos corações da maioria, se não todas, as galáxias - tem seu início, disseram os pesquisadores.
"O aspecto especial deste processo [colapso direto] é que leva à formação de uma "semente" de buraco negro de grande massa", disse o co-autor do estudo Avi Loeb, presidente do departamento de astronomia da Universidade de Harvard. "É difícil fazer um buraco negro tão gigante ao longo de um curto período de tempo uma vez que eles começam a partir de sementes de baixa massa."
Morte por gula
Quando uma estrela maciça chega ao fim da sua vida útil, ela pode entrar em colapso para dentro de si mesma para formar um buraco negro. Estes objetos densos depois crescem, alimentando-se com gás e poeira, mas o processo pode levar tempo.
Na verdade, provavelmente leva um bom tempo para uma pequena semente crescer em um buraco negro supermassivo, que pode conter milhares de milhões de vezes mais massa do que o Sol, dizem cientistas. Isto coloca um quebra-cabeça: De onde vem, então, os buracos negros supermassivos no universo primordial?
Alguns desses monstros existiam apenas 750 milhões de anos depois do Big Bang que criou o universo, disse Loeb. (Os cientistas sabem disso porque eles têm marcado quasares - núcleos galácticos incrivelmente brilhantes alimentados por buracos negros supermassivos)
"É difícil fazer um buraco negro tão gigante ao longo de um curto período de tempo se eles começam a partir de sementes de baixa massa", disse Loeb.
Em 2003, Loeb e Volker Bromm da Universidade do Texas em Austin (UT Austin) - também um co-autor do novo estudo - teorizou que nuvens de poeira e gás no início do universo eram tão quentes que elas não conseguiram fragmentar-se em múltiplas aglomerações de milhares de estrelas. Em vez disso, essas nuvens provavelmente criaram apenas uma única estrela massiva no centro, cerca de 1 milhão de vezes maior do que estrelas "normais", disse Loeb.
Tais estrelas gigantescas rapidamente consomem todo o gás e poeira nas proximidades. Excessos levariam a uma morte rápida; estas estrelas durariam apenas alguns milhões de anos antes de cair em buracos negros de médio porte que poderiam continuar a alimentar-se, em última análise, crescendo para os gigantes que se encontram nos centros de galáxias.
Para ficar tão superquentes, o gás no centro deste processo teria de ser quase puramente feito de hidrogênio e hélio, sem elementos "mais pesados" para ajudar a esfriar. Uma vez que elementos pesados são produzidos nos corações das estrelas e em seguida liberados durante uma supernova, tais "colapsos diretos de buracos negros" só poderiam se formar no início do universo, disseram os pesquisadores.
Mas não havia muita evidência para esta ideia - até agora.
De previsão para a realidade
No ano passado, os astrônomos avistaram um sinal estranho de uma galáxia conhecida como CR7, um dos objetos mais luminosos do universo primordial. Embora a galáxia mostrasse sinais de temperaturas superiores a 180.000 graus Fahrenheit (100.000 graus Celsius) e assinaturas de átomos de hélio ganham e perdem elétrons - um processo conhecido como ionização - não havia sinais de outros elementos.
"Isso faz com que a galáxia que nós achamos realmente únicas, preencha todos os requisitos para previsões para ambas as estrelas de primeira geração ou um buraco negro que colapsou diretamente", disse David Sobral, um astrofísico da Universidade de Lisboa, em Portugal, disse Espaço. com.
Sobral levou a equipe de astrônomos que identificou irregularidades na CR7 ano passado e outras galáxias semelhantes mais recentemente. Em seu artigo, eles argumentaram que, embora CR7 pudesse conter um buraco negro de colapso direto, o sinal incomum favoreceu um conjunto de primeiras estrelas do universo.
"Independentemente disso, o material real - gás primordial - para fazer tanto estrelas de primeira geração ou um colapso direto de buraco negro é essencialmente o mesmo, e é extremamente excitante para finalmente começar a fazer perguntas físicas reais sobre a natureza das primeiras galáxias, "disse Sobral. "Isto vai muito além da abordagem tradicional de simplesmente contar galáxias distantes."
Sobral e outros cientistas vão continuar a observar CR7, com instrumentos como o Telescópio Espacial Hubble e o Large Millimeter Array / submillimeter Atacama, no Chile. Mas outras equipes de pesquisa estão investigando a origem e evolução de galáxias através de modelagem por computador dentre outros trabalhos.
Fabio Pacucci, um Ph.D. estudante na Scuola Normale Superiore na Itália, foi parte de uma equipe, cuja pesquisa defendeu a teoria de buraco negro em um artigo no ano passado. Mas as observações da CR7 por esses pesquisadores não foram definitivas.
"Infelizmente, não vemos qualquer emissão de raios-X a partir desta fonte, o que seria uma prova clara para dizer que é um buraco negro", disse Pacucci.
É aí que Loeb e Volker entram. Eles são membros de outra equipe de pesquisa, liderada por Aaron Smith, da UT Austin, que procurou resolver o mistério.
Smith e seus colegas desenvolveram o que Smith chamou de "Um Código de Romance" para simular tanto o buraco negro e os cenários de primeira estrela usando um supercomputador em UT Austin. O cenário estelar "espetacularmente falhou", disse Smith, em um comunicado, enquanto o modelo de colapso direto se sustentou.
"A prova [para um buraco negro] é conclusiva", disse Loeb.
Depois de prever a existência de buracos negros de colapso direto mais de uma década atrás, Loeb está animado para vê-los confirmado por observações.
"É bom para chegar a uma ideia sobre como a natureza pode funcionar, mas é divertido descobrir que a natureza realmente se comporta da maneira que você pensa que ele faz", disse Loeb. "A experiência é tão gratificante como ter o amor de uma pessoa que você ama correspondido."
Smith e seus colegas publicaram seus resultados na semana passada na revista Monthly Notices da Royal Astronomical Society.
Traduzido e adaptado de Space.com
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