Pergunte a Ethan: quantos buracos negros existem no universo?

Embora tenhamos registrado diretamente três fusões de buracos negros, estamos cientes da existência de um número muito maior deles. E é aí que eles deveriam estar

Pela terceira vez na história das observações, registramos diretamente a característica inquestionável dos buracos negros: ondas gravitacionais geradas por sua fusão. Se combinarmos isso com nosso conhecimento das órbitas das estrelas que se deslocam ao redor do centro da galáxia, observações de outras galáxias nas faixas de raios-X e rádio e medidas das velocidades dos gases, obteremos evidências conclusivas da existência de buracos negros em várias situações. Mas temos informações suficientes obtidas dessas e de outras fontes para descobrir o verdadeiro número e distribuição de buracos negros no Universo? Este tópico é dedicado à pergunta do leitor de hoje:

O último evento registrado no LIGO me fez pensar em quantos buracos negros o céu ficaria se eles pudessem vê-los (e para maior clareza, se apenas os buracos negros pudessem ver), qual é a distribuição espacial e energética dos buracos negros em comparação com a distribuição de estrelas visíveis?

Seu primeiro impulso pode ser o desejo de ir para observações diretas - e este é um ótimo começo para a investigação.


Mapa - Observatório Espacial de Raios-X Chandra Deep Field South (CDF-S)

O Observatório de Raios-X de Chandra ainda é o nosso melhor telescópio de raios-X. Desde a sua localização na órbita da Terra, pode captar até fótons individuais que vêm de fontes distantes de raios-X. Ao capturar imagens de áreas suficientemente grandes do céu, ela conseguiu identificar centenas de fontes pontuais de radiação de raios-x, cada uma correspondendo a uma galáxia distante localizada fora da nossa. Com base no espectro de energia dos fótons obtidos, podemos observar evidências da presença de um buraco negro supermassivo no centro de cada galáxia.

Isso por si só é surpreendente, mas há muito mais buracos negros do que apenas um BH de tamanho gigante para cada galáxia. Obviamente, cada uma das galáxias tem pelo menos uma BH em massa que excede o Sol em milhões ou bilhões de vezes, mas existem muitas outras além delas.


Massas de sistemas BH conhecidos, incluindo três fusões confirmadas e um candidato a fusão recebido do LIGO

O LIGO anunciou recentemente sua terceira fixação direta de um sinal claro de ondas gravitacionais da fusão de BHs duplas, o que indica a prevalência de tais sistemas em todo o Universo. Para uma avaliação numérica, não temos estatísticas suficientes; os erros são muito grandes. Mas se você olhar para a faixa atual do LIGO e o fato de encontrar uma média de um sinal a cada dois meses, podemos dizer com segurança que existem pelo menos dezenas desses sistemas em cada galáxia do tamanho da Via Láctea.


Gama de LIGO avançado e seus recursos de detecção de BH

Além disso, nossos dados de raios-X indicam a existência de um grande número de BHs duplas. Talvez existam muito mais deles do que aqueles enormes buracos negros que o LIGO reconhece melhor. E isso nem está contando os dados que indicam a existência de BHs que não estão em sistemas binários muito próximos, os quais, provavelmente, são a maioria. Se em nossa galáxia existem dezenas de sistemas binários de BH de massa média (10 a 100 solares), existem centenas de pequenos sistemas de massa (3-15 solares) nela e pelo menos milhares de BHs isoladas (não pertencentes a sistemas binários) de massa comparável ao sol.

Eu enfatizo - "pelo menos".



BH é extremamente difícil de detectar. Podemos ver a localização mais ativa, mais massiva e mais extrema. BHs caindo em espirais e se fundindo entre si são bons, mas o número esperado de tais configurações é bastante pequeno. Chandra distingue apenas as mais massivas e ativas, mas a maioria das BHs não possui massas milhões ou bilhões de vezes mais altas que a solar, e a maioria dessas BHs gigantes não está atualmente ativa. As BHs que podemos ver devem compor uma pequena fração do que realmente está no espaço, não importa o quão espetaculares sejam os processos que observamos.


O que percebemos como uma explosão de radiação gama poderia ter nascido durante a fusão de estrelas de nêutrons que ejetam matéria no Universo, criam os elementos mais pesados ​​conhecidos e, no final, geram BHs

Mas temos uma maneira de obter uma boa estimativa do número e distribuição de BHs: sabemos como elas são formadas. Sabemos como fazê-los de estrelas jovens e massivas se tornarem supernovas, de estrelas de nêutrons que crescem devido à acumulação ou fusão e de colisões diretas. Embora os sinais ópticos para a criação de BHs sejam ambíguos, vimos estrelas suficientes, mortes de estrelas, cataclismos e os processos de sua formação em toda a história do Universo para calcular exatamente a quantidade de que precisamos.


Os restos de supernova resultantes de uma estrela massiva deixam para trás um objeto em colapso: um buraco negro ou uma estrela de nêutrons, e o último também pode se tornar um buraco negro no futuro sob condições adequadas

Todos esses três métodos de obtenção de BH são, se rastrearmos sua evolução desde o início, grandes áreas de formação de estrelas. Para obter:

1. supernova, você precisará de uma estrela 8 a 10 vezes mais massiva que o Sol. BH será 20-40 vezes mais massiva das estrelas; estrelas de nêutrons serão obtidas de estrelas menores.
2. fusão de estrelas de nêutrons ou acréscimo a BH, você precisa de duas estrelas de nêutrons se aproximando em espiral ou colidindo aleatoriamente ou uma estrela de nêutrons sugando a massa de uma estrela companheira e passando um limite de 2,5 a 3 massas solares necessárias para se tornar BH.
3. colapso direto em BH, você precisa coletar matéria suficiente em um só lugar para obter uma estrela ~ 25 vezes a massa do Sol e condições adequadas para a formação de BH (sem o aparecimento de uma supernova).

As fotografias visíveis e infravermelhas próximas do Hubble mostram uma estrela enorme, com cerca de 25 vezes o tamanho do Sol, que desapareceu do céu sem uma supernova ou outra explicação. O colapso direto é a única explicação razoável.

Podemos medir as estrelas localizadas não muito longe de nós e estimar quanto das estrelas emergentes acaba sendo uma massa adequada para depois se transformar em um buraco negro. Como resultado, obtemos que apenas cerca de 0,1 - 0,2% de todas as estrelas próximas a nós têm uma massa suficiente para pelo menos se transformar em uma supernova, e a maioria delas se transforma em estrelas de nêutrons. Cerca da metade dos sistemas emergentes é obtida em dobro e, na maioria dos sistemas que descobrimos, a massa de estrelas é comparável entre si. Em outras palavras, a maioria das 400 bilhões de estrelas que se formaram em nossa galáxia nunca se tornará buracos negros.


Classificação espectral moderna das estrelas Morgan-Kinan e o intervalo de temperatura de cada uma das classes (em kelvins). A maioria (75%) das estrelas modernas é da classe M e apenas 1 em cada 800 possui massa suficiente para se tornar uma supernova

Mas isso não é assustador, já que, em geral, poucas estrelas se tornam BH. Mais importante, um número bastante grande de estrelas, provavelmente, já se transformou em buracos negros no passado distante. Onde quer que ocorra a formação de estrelas, há uma distribuição de massa: aparecem várias estrelas de grande massa, muito mais estrelas de massa média e um número muito grande de estrelas de massa pequena. Existem tantos deles que a classe M (anã vermelha), cuja massa é de 8 a 40% da massa do Sol, pertence a 3 em cada 4 estrelas localizadas perto de nós. Em muitos novos aglomerados de estrelas, existem muito poucas estrelas de grande massa: aquelas que se transformam em supernovas. Mas no passado, na Galáxia, havia regiões de formação estelar muito maiores e com uma massa muito maior do que a que hoje vemos na Via Láctea.


Os maiores viveiros de estrelas do grupo local, a Nebulosa da Tarântula , ostentam as maiores estrelas conhecidas pela humanidade. Centenas deles um dia (nos próximos milhões de anos) se tornarão buracos negros.

A foto acima mostra a maior região de formação de estrelas em um grupo local, pesando cerca de 400.000 solares. Existem milhares de estrelas quentes e muito azuis nesta região, das quais centenas provavelmente se transformarão em supernovas. Em algum lugar, 10 a 30% deles se tornarão buracos negros e o restante se tornará estrelas de nêutrons. Dado que:

• em nossa galáxia, no passado, havia muitos desses sites,
• as maiores áreas de formação estelar concentradas em torno de braços espirais e em direção ao centro da galáxia,
• e que hoje observamos pulsares (remanescentes de estrelas de nêutrons) e fontes de radiação gama, provavelmente sendo buracos negros,

então podemos construir um mapa da localização do buraco negro.



O satélite Fermi da NASA construiu o mapa de energia mais alto do universo com a mais alta resolução já criada. É provável que o mapa de BH da galáxia mostre uma dispersão de objetos um pouco maior e se transforme em milhões de fontes pontuais individuais

Este é um mapa Fermi do céu inteiro, coletando todas as fontes de radiação gama. Parece um mapa estelar de nossa galáxia, exceto que o disco galáctico está mais marcado nele. Além disso, fontes mais antigas deixam de emitir raios gama, portanto essas fontes de radiação apareceram relativamente recentemente.

Comparado a este cartão, o cartão BH irá:

• Mais concentrado em direção ao centro da galáxia;
• Um pouco mais difuso em largura;
• Conter uma protuberância galáctica;
• Consistem em cerca de 100 milhões de objetos, mais ou menos um pedido.

Se você combinar o mapa Fermi (acima) e o mapa infravermelho do Galaxy do COBE (abaixo), você obterá uma distribuição quantitativa de BHs em nosso Galaxy.


Galáxia na luz infravermelha, foto do satélite COBE. Embora apenas estrelas sejam visíveis, a BH terá uma distribuição semelhante, embora mais comprimida ao plano da galáxia e mais tendendo à protuberância

Os buracos negros são objetos reais e difundidos, e a maioria deles é silenciosa, então hoje eles são difíceis de detectar. O Universo existe há muito tempo e, embora hoje possamos ver um grande número de estrelas, a maioria de todas as estrelas existentes de grande massa - mais de 95% delas - já morreram. Para onde eles foram? Cerca de um quarto deles se tornaram BHs, e muitos milhões deles ainda existem, escondidos em nossa galáxia, e em outras galáxias sua porcentagem corresponde aproximadamente à nossa.


Um buraco negro de um bilhão de massas solares alimenta um jato de raios X no centro da galáxia M87, mas talvez haja outro bilhão de outras BHs nessa galáxia. Eles se acumularão principalmente em direção ao centro.

Nas galáxias elípticas, as BHs se agrupam em um enxame elíptico e se acumulam mais perto do centro, assim como as estrelas. Muitas BHs eventualmente migrarão para o poço gravitacional no centro da galáxia devido à " segregação em massa " - então, aparentemente, BHs supermassivas se tornaram supermassivas. Mas até agora não temos evidências diretas desse cenário; se não tivermos uma maneira de observar diretamente BHs silenciosos, nunca teremos certeza. Mas pelo que sabemos, esta é a melhor imagem de tudo o que podemos desenhar. É consistente, convincente e todas as evidências indiretas apontam para isso.


A absorção da luz de onda milimétrica emitida por elétrons bisbilhotando em poderosos campos magnéticos criados por BHs supermassivas nas galáxias leva ao aparecimento de uma mancha escura no centro desta galáxia. Uma sombra indica que nuvens frias de gás molecular caem no buraco negro

Na ausência da possibilidade de observações diretas, é tudo o que a ciência pode contar e isso nos leva a uma conclusão interessante: para cada mil estrelas que vemos hoje, há cerca de uma BH em média, localizada, provavelmente, em uma parte mais densa do espaço. Boa precisão para responder à pergunta sobre o que é quase completamente invisível!

Ethan Siegel - astrofísico, popularizador da ciência, autor de Starts With A Bang! Ele escreveu os livros "Beyond the Galaxy" [ Beyond The Galaxy ] e "Tracknology: the science of Star Trek" [ Treknology ].

FAQ: se o Universo está se expandindo, por que não estamos expandindo ? por que a era do universo não coincide com o raio de sua parte observada .