Palomar 5 pode esconder mais de 100 buracos negros de massa estelar

Um aglomerado fofinho de estrelas, espalhado como uma nuvem pelo céu, pode guardar um segredo no seu núcleo: um enxame de mais de 100 buracos negros de massa estelar.

O objeto em causa chama-se Palomar 5. Trata-se de uma corrente estelar que se estende por 30.000 anos-luz e fica a cerca de 80.000 anos-luz de distância.

Aglomerados globulares e correntes de maré na Via Láctea

Aglomerados globulares como este são frequentemente vistos como “fósseis” do Universo primordial. São estruturas muito densas e aproximadamente esféricas, que em geral abrigam de cerca de 100.000 a 1 milhão de estrelas muito antigas; alguns, como o NGC 6397, têm idade quase tão grande quanto a do próprio Universo.

Num aglomerado globular, as estrelas nascem ao mesmo tempo, a partir da mesma nuvem de gás. A Via Láctea tem mais de 150 aglomerados globulares conhecidos, e estes sistemas servem como excelentes ferramentas de estudo - por exemplo, para investigar a história do Universo ou o conteúdo de matéria escura das galáxias que eles orbitam.

Ao mesmo tempo, outro tipo de agrupamento estelar vem ganhando destaque: as correntes de maré, longos “rios” de estrelas que se alongam pelo céu.

Durante muito tempo, essas correntes foram difíceis de identificar. Contudo, como os dados do observatório espacial Gaia mapearam a Via Láctea com grande precisão em três dimensões, mais dessas estruturas passaram a ser reveladas.

Veja o vídeo abaixo para um resumo da descoberta:

Por que Palomar 5 é especial para entender correntes estelares

“Não sabemos como essas correntes se formam, mas uma ideia é que sejam aglomerados estelares desfeitos”, explicou em 2021 o astrofísico Mark Gieles, da Universidade de Barcelona, na Espanha, quando os investigadores anunciaram a deteção.

“Porém, nenhuma das correntes descobertas recentemente tem um aglomerado estelar associado e, por isso, não podemos ter certeza.

“Assim, para compreender como essas correntes se formaram, precisamos estudar uma que tenha um sistema estelar associado. Palomar 5 é o único caso, o que o torna uma Pedra de Roseta para entender a formação de correntes - e é por isso que o estudámos em detalhe.”

O Palomar 5 parece singular por reunir duas características ao mesmo tempo: uma distribuição muito ampla e pouco concentrada de estrelas e uma longa corrente de maré. Essa estrutura ocupa mais de 20 graus no céu, o que levou Gieles e a sua equipa a focarem a investigação nesse alvo.

Simulações de N corpos e a hipótese de buracos negros em Palomar 5

Para reconstituir como o sistema chegou ao aspeto atual, a equipa recorreu a simulações detalhadas de N corpos, recriando as órbitas e a evolução de cada estrela no aglomerado.

Como evidências recentes indicam que populações de buracos negros podem existir nas regiões centrais de aglomerados globulares - e como interações gravitacionais com buracos negros são conhecidas por arremessar estrelas para fora -, os cientistas incluíram buracos negros em parte das simulações.

Os resultados indicaram que uma população de buracos negros de massa estelar dentro do Palomar 5 poderia produzir a configuração observada hoje. Interações orbitais teriam funcionado como um “estilingue”, expulsando estrelas do aglomerado para a corrente de maré, mas apenas se houvesse um número de buracos negros significativamente maior do que o previsto.

À medida que as estrelas escapariam com mais eficiência e mais rapidez do que os buracos negros, a proporção relativa destes últimos aumentaria de forma considerável.

“O número de buracos negros é aproximadamente três vezes maior do que o esperado a partir do número de estrelas no aglomerado, e isso significa que mais de 20 por cento da massa total do aglomerado é composta por buracos negros”, disse Gieles.

“Cada um tem uma massa de cerca de 20 vezes a massa do Sol, e eles se formaram em explosões de supernova no fim da vida de estrelas massivas, quando o aglomerado ainda era muito jovem.”

O que as simulações sugerem sobre o fim do Palomar 5

De acordo com as simulações da equipa, em cerca de um bilhão de anos o aglomerado estará completamente dissolvido. Pouco antes disso acontecer, o que restar do aglomerado será composto inteiramente por buracos negros, orbitando o centro galáctico. Isso indica que, afinal, o Palomar 5 talvez não seja tão único: ele também acabará por se desfazer totalmente numa corrente estelar, tal como outras já descobertas.

A mesma linha de raciocínio sugere que outros aglomerados globulares provavelmente terão um destino parecido, com o tempo. Além disso, o estudo reforça que aglomerados globulares podem ser ótimos locais para procurar buracos negros que um dia irão colidir, bem como a classe difícil de observar de buracos negros de massa intermediária, entre os leves de massa estelar e os pesados supermassivos.

“Acredita-se que uma grande fração das fusões de buracos negros binários se forma em aglomerados estelares”, afirmou o astrofísico Fabio Antonini, da Universidade de Cardiff, no Reino Unido.

“Uma grande incógnita nesse cenário é quantos buracos negros existem nos aglomerados, algo difícil de restringir observacionalmente porque não conseguimos ver buracos negros. O nosso método dá um caminho para aprender quantos buracos negros há num aglomerado estelar ao observar as estrelas que eles ejetam.”

A pesquisa foi publicada na Nature Astronomy.

Uma versão anterior deste artigo foi publicada em julho de 2021.