Os mistérios que cercam os maiores buracos negros do universo:blaze money

Embora a massa dos buracos negros padrão seja cercablaze moneyquatro vezes a do nosso Sol, seus parentes gigantescos são milhões e, às vezes, bilhõesblaze moneyvezes mais massivos.

Os cientistas acreditam que quase todas as grandes galáxias têm um buraco negro supermassivoblaze moneyseu coração, embora ninguém saiba como eles chegaram lá.

É neste sentido que a galáxia UCG 11700 pode ser útil.

"As galáxias ideais para o meu estudo são as espirais mais bonitas e perfeitas que você pode imaginar", diz Becky Smethurst, pesquisadora júnior da Universidadeblaze moneyOxford, no Reino Unido, que estuda buracos negros supermassivos.

"As galáxias mais bonitas são aquelas que podem nos ajudar a desvendar o mistérioblaze moneycomo estes buracos negros crescem", acrescenta.

Estudar algo que porblaze moneynatureza é tão denso que nem sequer a luz consegue escapar do seu centro, dificulta o aprendizado.

Mas novas técnicas que analisam os efeitos que os buracos negros supermassivos têm sobre os objetos interestelares ao seu redor — e até mesmo as ondulações que criam no tecido espaço-tempo — estão fornecendo novas pistas.

Há um pequeno segredo sobre o quão convencional, se podemos chamar assim, é a maneira como um buraco negro aparece e cresce.

Uma estrela moribunda fica sem combustível, explodeblaze moneyuma supernova, colapsa sobre si mesma e se torna tão densa que nem sequer a luz consegue escaparblaze moneysua intensa gravidade.

A ideiablaze moneyburacos negros existe há um século e foi prevista pela Teoria da Relatividade Geralblaze moneyAlbert Einstein.

Na cultura popular, os buracos negros são perfeitamente escuros e estão infinitamente famintos.

Eles atravessam o universo absorvendo tudo que encontram pela frente, se tornando maiores e mais vorazes à medida que fazem isso.

Uma vez resolvido o mistério, pode-se pensar: buracos negros supermassivos são simplesmente os mais famintos e mais antigos do tipo.

No entanto, os buracos negros não correspondem àblaze moneyreputação monstruosa.

São surpreendentemente ineficazes na acreção (termo científico para "absorção") do material circundante, mesmoblaze moneyum núcleo galáctico denso.

Na verdade, estrelas colapsadas crescem tão lentamente que não poderiam se tornar supermassivas simplesmente absorvendo material novo.

"Suponhamos que as primeiras estrelas formaram buracos negros cercablaze money200 milhõesblaze moneyanos após o Big Bang", diz Smethurst.

"Depois que colapsaram, tiveram cercablaze money13,5 bilhõesblaze moneyanos para fazer seu buraco negro crescer até bilhõesblaze moneyvezes a massa do Sol. É um tempo demasiado curto para torná-lo tão grande apenas com a absorçãoblaze moneymaterial", acrescenta.

Ainda mais intrigante é saber que buracos negros supermassivos já existiam quando o universo ainda estava emblaze moneyrelativa infância.

Os quasares distantes, alguns dos objetos mais brilhantes no céu noturno, são na verdade antigos buracos negros supermassivos que incendiaram os núcleosblaze moneygaláxias moribundas.

Alguns desses gigantes existem pelo menos desde que o universo tinha apenas 670 milhõesblaze moneyanos, numa épocablaze moneyque estavam se formando algumas das galáxias conhecidas mais antigas.

Enquanto o coraçãoblaze moneyum buraco negro permanece desconhecido para observadores externos, os buracos negros supermassivos podem brilhar mais forte do que uma galáxia inteirablaze moneyestrelas — e podem até "arrotar" radiação ultravioleta enquanto consomem material ao seu redor.

Os buracos negros possuem uma fronteira esférica, conhecida como "horizonteblaze moneyeventos". Dentro desta esfera, a luz, a energia e a matéria estão inevitavelmente presas.

O espaço e o tempo se dobram sobre si mesmos, e as leis das física que descrevem como funciona a maior parte do nosso universo não podem ser aplicadas.

Mas, fora do horizonteblaze moneyeventos, um buraco negro giratório pode transformar o material próximoblaze moneyum disco giratório superaquecido.

Atingindo temperaturas superiores a 10 milhõesblaze money°C, o discoblaze moneyacreçãoblaze moneyum quasar libera radiaçãoblaze moneybrilho ofuscanteblaze moneytodo o espectro eletromagnético.

"Os buracos negros são os motores mais eficazes e eficientes do universo", diz Marta Volonteri, pesquisadorablaze moneyburacos negros do Institutoblaze moneyAstrofísicablaze moneyParis, na França.

"Eles transformam massablaze moneyenergia com uma eficiênciablaze moneyaté 40%. Se você pensarblaze moneyqualquer coisa que queimamos com carbono, ou energia química, ou até mesmo o que acontece nas estrelas, é apenas uma pequena fração do que produz um buraco negro".

Os buracos negros supermassivos despertam o interesse dos cientistas não apenas porblaze moneyeficiência energética. Sua formação e evolução estão claramente conectadas com o desenvolvimento das galáxias e,blaze moneyuma forma mais ampla, com a história e estruturablaze moneytodo o nosso universo.

Resolver o mistério desses gigantes cósmicos representaria um passo significativo no esforço contínuo dos cientistas para entender por que as coisas são como são.

A liberaçãoblaze moneyenergia é uma das muitas maneiras pelas quais os buracos negros revelam seus segredos.

Quando os buracos negros se fundem ou colidem com objetos ligeiramente menos densos, como estrelasblaze moneynêutrons, os eventos criam ondulações no espaço-tempo, chamadas ondas gravitacionais.

Estas ondas se movem pelo cosmos na velocidade da luz e foram detectadas pela primeira vez na Terrablaze money2015.

Desde então, grandes centros como o Observatórioblaze moneyOndas Gravitacionais por Interferometria a Laser (Ligo, na siglablaze moneyinglês), nos Estados Unidos, e o observatório Virgo, pertoblaze moneyPisa, na Itália, têm compilado as ondas geradas por essas colisões.

Mas embora esses observatórios usem instrumentos que medem vários quilômetrosblaze moneyextensão, eles só conseguem detectar ondasblaze moneyburacos negrosblaze moneytamanhos relativamente modestos.

"O Ligo detectou fusõesblaze moneyaté cercablaze moneyapenas 150 massas solares", diz Nadine Neumayer, que lidera o grupoblaze moneypesquisa Galactic Nuclei do Instituto Max Planckblaze moneyAstronomia, na Alemanha.

"Há uma lacuna nos dados sobre o que a gente chamablaze money'buracos negrosblaze moneymassa intermediária',blaze moneyumas 10 mil massas solares mais ou menos. E essas, na verdade, poderiam ser as sementes dos buracos negros supermassivos."

A especialista sugere que buracos negrosblaze moneymassa intermediária podem ter se formado no universo muito cedo, a partir do colapsoblaze moneynuvensblaze moneygás gigantes ou colisões descontroladasblaze moneyestrelas.

No ambiente exíguo do universo jovem, as sucessivas colisões entre esses buracos negrosblaze moneytamanho médio, combinadas com um rápido acúmuloblaze moneymaterial circundante, poderiam ter acelerado seu crescimento até escalas supermassivas.

Ainda assim, a teoria da semente do buraco negroblaze moneymassa intermediária tem problemas. O pequeno universo incipiente também era muito quente.

As nuvensblaze moneygás teriam sido banhadasblaze moneyradiação, possivelmente dando a elas muita energia para colapsar sobre si mesmas.

Mesmoblaze moneyum cosmos denso, as leis da física também limitam a velocidade máxima na qual os buracos negros podem absorver matéria.

Volonteri diz que qualquer explicação atual para buracos negros supermassivos tem "gargalos e inconvenientes" que impedem os cientistasblaze moneychegar a uma resposta definitiva.

"As teorias que envolvem o que chamamosblaze money'processos dinâmicos', o que significa que um buraco negro se forma a partirblaze moneymuitas, muitas estrelasblaze moneyvezblaze moneyapenas uma, são possíveis, mas esses processos devem acontecer sob condições muito específicas", explica.

"Há também teorias sobre 'buracos negros primordiais', que poderiam ter existido e começado a crescer antes das estrelas. Mas este é um território completamente desconhecido. Não temos nenhuma evidência observacional para provar esse princípio", acrescenta.

Volonteri diz que é fascinada pela física dos processos dinâmicos, mas reconhece que é muito difícil para a teoria prever com credibilidade algo que cresça mais do que cercablaze money1 mil massas solares.

"Quando você levablaze moneyconsideração os quasares que já tinham um bilhãoblaze moneymassas solares quando o universo tinha um bilhãoblaze moneyanos, é muito difícil chegar a esses números", afirma.

Ela acredita que a verdadeira históriablaze moneycomo os buracos negros supermassivos surgiram ainda não foi contada.

"Quanto mais investigamos, mais descobrimos que existem problemas que achávamos que havíamos entendido. Está faltando algo fundamental", sugere.

A geração atualblaze moneyinstrumentosblaze moneyobservação começou a preencher as lacunas. O Virgo, o Ligo e observatórios semelhantes estão fornecendo "informações demográficas" cada vez mais profundas sobre o tamanho, a idade e a localização da populaçãoblaze moneyburacos negros do Universo.

Mas para completar os dados sobre buracos negros supermassivos, os pesquisadores vão precisarblaze moneydetectores ainda maiores.

Na décadablaze money2030, a Nasa e a Agência Espacial Europeia (ESA, na siglablaze moneyinglês) vão lançar a ambiciosa Antena Espacialblaze moneyInterferometria a Laser (LISA, na siglablaze moneyinglês), composta por três satélites voandoblaze moneyum triângulo com ladosblaze money2,5 milhõesblaze moneyquilômetrosblaze moneycomprimento.

Esse detector funcionará com princípios semelhantes aos do Ligo e Virgo, masblaze moneyenorme escala permitirá que detecte ondas gravitacionaisblaze moneyburacos negros muito grandes, além do alcance da tecnologia existente.

Mas há outras maneiras mais diretasblaze moneyver os buracos negros.

O telescópio Event Horizons capturou recentemente as primeiras imagensblaze moneyburacos negros, tirando esses objetos misteriosos das sombras e revelando mais sobreblaze moneynatureza e os efeitosblaze moneysua gravidade e magnetismo nas galáxias que habitam.

Os astrofísicos também podem rastrear o movimento das estrelasblaze moneyórbitas próximas ao redor dos buracos negros no núcleo galáctico, extrapolando informações sobre objetos massivosblaze moneyseu centro.

A maioria das observações desse tipo é baseadablaze moneytelescópios terrestres que usam uma tecnologia chamada "óptica adaptativa".

Os observadores analisam uma estrela brilhante (ou um raio laser gerado por humanos) para medir as distorções atmosféricas que,blaze moneyoutra forma, reduziriam a qualidade da imagem.

Os sinais controlados por computador corrigem estas distorções fazendo pequenos ajustes na forma física do espelho do telescópio.

O resultado são observações precisas do coraçãoblaze moneygaláxias a bilhõesblaze moneyanos-luzblaze moneydistância e uma grande quantidadeblaze moneydados sobre seus buracos negros supermassivos.

Neumayer foi uma das primeiras cientistas a usar óptica adaptativa para estudar os núcleos galácticos.

"É simplesmente incrível que você possa ter uma resolução melhor da Terra do que a partir do Telescópio Espacial Hubble", diz ela.

"Trabalhei na mediçãoblaze moneymassas específicasblaze moneyburacos negros. Há uma correlação forte: quanto mais massa uma galáxia tem, mais massivo é seu buraco negro supermassivo central."

Apesar desta correlação, não há evidências clarasblaze moneyque galáxias massivas criem buracos negros massivos ou vice-versa. Eles estão conectados, mas a natureza dessa conexão permanece sendo um mistério.

Parte da explicação pode envolver colisões entre galáxias.

A maioria dos dois trilhõesblaze moneygaláxias observáveis ​​no universo está se afastando uma da outra, mas muitas colisões acontecem, gerando oportunidades para dois buracos negros centrais muito grandes se fundiremblaze moneyalgo ainda maior.

Alguns cientistas acreditam que esta pode ser a forma como os buracos negros supermassivos realmente monstruosos se formam.

Quando buracos negros estelares comparativamente pequenos colidem, eles liberam enormes quantidadesblaze moneyenergia por uma fraçãoblaze moneysegundo, produzindo um clarão tão brilhante que ofusca brevemente tudo que está no céu.

Um evento semelhante envolvendo buracos negros supermassivos seria um dos eventos mais cataclísmicos que poderia ser detectado no céu noturno.

No entanto, embora os cientistas suspeitem que as fusõesblaze moneyburacos negros supermassivos ocorram, elas podem ser menos comuns devido a outro aspecto problemático da dinâmica dos buracos negros.

Os buracos negrosblaze moneytrajetóriablaze moneycolisão giramblaze moneytorno uns dos outros com mais velocidade à medida que se aproximam. Mas buracos negros muito grandes alcançam um ponto a cercablaze moneyum parsec (3,26 anos-luz)blaze moneydistância,blaze moneyqueblaze moneyvelocidade orbital começa a equilibrar a atração gravitacional.

A degradaçãoblaze moneysuas órbitas ocorreria tão lentamente que a fusãoblaze moneysi não aconteceria na idade atual do universo.

No entanto, os físicos acreditam que essas fusões realmente acontecem, o que requer novas teoriasblaze moneycomo superar o chamado "problema parsec final".

É necessário algum tipoblaze moneyforça ou energia adicional para juntar os buracos negrosblaze moneyórbita.

O universo está repletoblaze moneygaláxias que acredita-se terem sido formadas por fusões, incluindo nossa própria Via Láctea, o que sugere que isso acontece.

Quando as galáxias colidem,blaze moneyestrutura espiral original é destruída à medida que estrelas, nuvensblaze moneygás, matéria escura e buracos negros interagem. Até mesmo um atrito entre galáxias pode desestabilizar suas estruturas, tornando-as fáceisblaze moneydetectar.

Mas isso significa que buracos negros supermassivos encontrados no centroblaze moneygaláxias catavento imaculadas, como a UCG11700, não podem ser explicadosblaze moneytermosblaze moneycolisões. Suas estruturas sugerem que nunca se aproximaramblaze moneyoutra galáxia.

"Seleciono galáxias muito raras que estiveram sozinhas por toda ablaze moneyexistência, que estiveram muito, muito isoladas no universo", diz Becky Smethurst.

"Com elas, podemos ter certezablaze moneyque o buraco negroblaze moneyseu centro nunca cresceu ao se fundir com outra coisa."

Isso significa que devem ter se formadoblaze moneyoutra maneira.

Smethurst trabalha retroativamente para determinar quão grandes esses buracos negros devem ter sido no início para atingir seu tamanho atual.

Seus melhores modelos indicam que um buraco negro que se formou no início do universoblaze moneyentre 1 mil e 10 mil massas solares pode ser suficiente — números que se enquadram nas teoriasblaze moneyNeymayerblaze moneyburacos negros "sementes"blaze moneytamanho intermediário.

Mas esses buracos negros provavelmente não são provenientesblaze moneyestrelasblaze moneycolapso.

Os astrofísicos também estão analisando a possibilidadeblaze moneyque os buracos negros supermassivos se formem diretamente da matéria escura, o misterioso material que mantém as galáxias unidas.

Mas a matéria escura, um tipo teóricoblaze moneypartícula que interage com a gravidade, mas é invisível à luz e ao eletromagnetismo, é por si só muito mal compreendida.

A combinação dos mistérios dos buracos negros e da matéria escura apenas torna a física mais complexa.

"Ainda há muito que não sabemos", diz Smethurst.

"Acho que seria arrogante da nossa parte concluir que a única maneirablaze moneyformar um buraco negro é por meioblaze moneyuma supernova, porque não sabemos disso com certeza."

"Talvez a explicação seja algo completamente impensável até agora. Aguardo ansiosamente o diablaze moneyque o universo nos surpreenderá com a resposta. Acho que será um grande dia para a ciência. "

Instrumentosblaze moneyobservação mais avançados estão a caminho.

Neste ano, a Nasa planeja lançar o Telescópio Espacial James Webb (embora exista atualmente uma campanha para mudar o nome do instrumento devido às políticas homofóbicas impostas pelo diretorblaze moneymesmo nome da Nasa), cujo tamanho e capacidade sensorial sem precedentes o tornarão uma valiosa ferramenta na pesquisablaze moneyburacos negros supermassivos.

A missão Lisa, quando lançada, também proporcionará aos cientistas novas maneirasblaze moneyobservar buracos negros supermassivos por meioblaze moneysuas ondas gravitacionais.

Outros cientistas estão criando mapas cada vez mais detalhados dos lugares, movimentos, formas e tamanhosblaze moneymilhõesblaze moneygaláxias, alimentando as pesquisas tantoblaze moneyobservadores quantoblaze moneyteóricos.

"O ritmoblaze moneytrabalho é simplesmente fenomenal", afirma Smethurst.

"Temos o equivalente a 100 anosblaze moneypesquisas sobre buracos negros. Masblaze moneycomparação aos 14 bilhõesblaze moneyanos que o universo existe, não é suficiente para resolver todos os mistérios. Me proponho a responder uma pergunta e termino com mais cinco . E tudo bem".

Neumayer concorda com Smethurst que as descobertas mais fascinantes sobre buracos negros provavelmente terão a ver com perguntas que ninguém fez.

"Tem sido um século incrívelblaze moneydesenvolvimentos técnicos que tornaram essas descobertas possíveis", diz a cientista.

"Conhecemos muitos problemas que queremos resolver. Mas também veremos coisas novas que nem sequer podemos imaginar. E acho isso incrível."

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