Telescópio Espacial Nancy Grace Roman vai encontrar buracos negros solitários
Esta ilustração mostra o conceito de microlente gravitacional com um buraco negro. Quando um buraco negro passa quase em frente de uma estrela mais distante, pode agir como lente que amplia a luz estelar.
Crédito: Centro de Voo Espacial Goddard da NASA/CIB
O Telescópio Espacial Nancy Grace Roman da NASA vai fornecer uma janela sem precedentes para o Universo infravermelho quando for lançado em meados desta década de 2020. Um dos levantamentos planeados vai utilizar uma peculiaridade da gravidade para revelar milhares de novos planetas para lá do nosso Sistema Solar. O mesmo levantamento também fornecerá a melhor oportunidade até à data de detetar definitivamente pequenos buracos negros solitários. Formados quando uma estrela com mais de 20 vezes a massa do Sol esgota o seu combustível nuclear no núcleo e colapsa sob o seu próprio peso, estes objetos são conhecidos como buracos negros de massa estelar.
Os buracos negros têm uma gravidade tão poderosa que nem mesmo a luz consegue escapar às suas garras. Como são invisíveis, só podemos encontrar buracos negros indiretamente, observando como afetam os seus arredores. Os buracos negros supermassivos encontrados nos centros das galáxias, que contêm milhões de vezes a massa do Sol, perturbam as órbitas de estrelas próximas e ocasionalmente dilaceram-nas com consequências visíveis.
Mas os astrónomos pensam que a grande maioria dos buracos negros de massa estelar, que são muito mais leves, não têm nada em seu redor que nos possa alertar da sua presença. O Roman vai encontrar planetas por toda a nossa Galáxia observando como a sua gravidade distorce luz estelar distante e, dado que os buracos negros de massa estelar produzem os mesmos efeitos, a missão também deverá ser capaz de os encontrar.
"Os astrónomos identificaram até agora cerca de 20 buracos negros de massa estelar na Via Láctea, mas todos eles têm uma companheira que podemos ver," disse Kailash Sahu, astrónomo do STScI (Space Telescope Science Institute) em Baltimore, no estado norte-americano de Maryland. "Muitos cientistas, onde me incluo, passaram anos a tentar encontrar buracos negros solitários usando outros telescópios. É empolgante que com o Roman isto finalmente será possível."
As estrelas parecem faróis eternos, mas cada uma nasce com um reservatório limitado de combustível. As estrelas passam a maior parte das suas vidas transformando, nos seus centros, hidrogénio em hélio, o que cria uma enorme quantidade de energia. Este processo, conhecido como fusão nuclear, é como uma explosão controlada - um jogo da corda entre a pressão externa e a gravidade.
Mas à medida que o combustível de uma estrela se esgota e a fusão desacelera, a gravidade assume o controlo e o núcleo da estrela contrai-se. Esta pressão interna aquece o núcleo e desencadeia uma nova ronda de fusão, que produz tanta energia que as camadas externas da estrela se expandem. A estrela incha, a sua superfície arrefece e torna-se numa gigante vermelha ou supergigante.
O tipo de "cadáver" estelar que em última análise é deixado para trás depende da massa da estrela. Quando uma estrela parecida com o Sol fica sem combustível, ela eventualmente ejeta as suas camadas externas e apenas permanece um pequeno núcleo quente chamado anã branca. A anã branca desaparecerá com o tempo, como as brasas de uma fogueira. O nosso Sol tem cerca de cinco mil milhões de anos de combustível restante.
Estrelas mais massivas são mais quentes, de modo que gastam o seu combustível mais depressa. Acima das oito massas solares, a maioria das estrelas está condenada a morrer em explosões cataclísmicas chamadas supernovas antes de se tornarem buracos negros. Nas massas mais elevadas, as estrelas podem "saltar" a explosão e colapsar diretamente em buracos negros.
Os núcleos destas estrelas massivas colapsam até que os seus protões e eletrões se esmaguem para formar neutrões. Se o núcleo remanescente tiver menos que aproximadamente três massas solares, o colapso pára, deixando para trás uma estrela de neutrões. Para núcleos remanescentes maiores, até mesmo os neutrões não conseguem suportar a pressão e o colapso continua para formar um buraco negro.
Milhões de estrelas massivas já passaram por este processo e agora escondem-se por toda a Galáxia como buracos negros. Os astrónomos pensam que devem existir cerca de 100 milhões de buracos negros de massa estelar na nossa Via Láctea, mas só temos sido capazes de os encontrar quando afetam visivelmente os seus arredores. Os astrónomos podem inferir a presença de um buraco negro quando discos de acreção quentes e brilhantes se formam à sua volta, ou quando avistam estrelas em órbita de um objeto massivo, mas invisível.
"O Roman vai revolucionar a nossa busca por buracos negros porque vai ajudar-nos a encontrá-los mesmo quando não há nada por perto," disse Sahu. "A Galáxia deverá estar repleta destes objetos."
O Telescópio Espacial Nancy Grace Roman vai usar uma técnica chamada microlente gravitacional para descobrir planetas para lá do nosso Sistema Solar. Quando um objeto massivo, como uma estrela, passa em frente de uma outra estrela mais distante, a partir do nosso ponto de vista, a luz da mais distante curva-se enquanto viaja através do espaço-tempo distorcido em torno da mais próxima.
O resultado é que a estrela mais próxima atua como uma lente natural, ampliando a luz da estrela de fundo. Os planetas em órbita de uma estrela podem produzir um efeito semelhante a uma escala mais pequena.
Além de fazer com que uma estrela de fundo aumente de brilho, um objeto mais massivo que atua como lente pode curvar o espaço-tempo e alterar visivelmente a localização aparente da estrela distante no céu. Esta mudança de posição, chamada microlente astrométrica, é extremamente pequena - apenas cerca de um milissegundo de arco. Isto é como distinguir um movimento tão pequeno quanto o tamanho de uma moeda de 20 cêntimos situada em Lisboa, a partir de Beirute, Líbano. Usando a requintada resolução espacial do Roman para detetar um movimento aparente tão pequeno - o sinal revelador de um buraco negro massivo - os astrónomos serão capazes de restringir a massa, a distância e o movimento do buraco negro através da Galáxia.
Os sinais de microlentes são tão raros que os astrónomos precisam de monitorizar centenas de milhões de estrelas por longos períodos para os capturar. Os observatórios devem ser capazes de rastrear a posição e o brilho da estrela de fundo com extrema precisão - algo que só pode ser feito acima da atmosfera da Terra. A posição do Roman no espaço e o seu enorme campo de visão vão fornecer-nos a melhor oportunidade de investigar a população de buracos negros da nossa Galáxia.
"Os buracos negros de massa estelar que descobrimos em sistemas binários têm propriedades estranhas em comparação com o que esperamos," disse Sahu. "Todos têm cerca de 10 vezes mais massa do que o Sol, mas achamos que deveriam abranger uma gama muito mais ampla, entre 3 e 80 massas solares. Ao realizar um censo destes objetos, o Roman vai ajudar-nos a entender mais sobre estes cadáveres estelares."