Como os buracos negros no centro das galáxias se formam e crescem ao longo do tempo? Para responder a essa pergunta, os cientistas precisam detectar e estudar buracos negros supermassivos em grandes distâncias, que existiram muito antes na história do Universo. Uma nova pesquisa sugere que o Nancy Grace Roman Space Telescope da NASA, que está previsto para ser lançado em 30 de agosto de 2026, será capaz de detectar esses buracos negros antigos e distantes, que existiram até 11 bilhões de anos atrás.
Buracos negros são melhor estudados ao observar a luz emitida por seu disco de acreção — a matéria que gira ao redor deles antes de ser consumida. Buracos negros supermassivos mais leves são desafiadores de observar porque tendem a ser menos luminosos, devido a uma menor acreção. Mas, ocasionalmente, eles despedaçam e consomem uma estrela inteira, brilhando o suficiente para ofuscar toda a galáxia hospedeira — um fenômeno conhecido como tidal disruption event (TDE). Ao caracterizar essa população de buracos negros supermassivos primordiais e como eles evoluem e crescem ao longo de bilhões de anos, o Roman fornecerá pistas sobre a origem definitiva desses gigantes.
“O Telescópio Espacial Roman vai ser transformador para a ciência de transientes”, disse o autor principal Mitchell Karmen, da Johns Hopkins University, um estudante de pós-graduação e bolsista do National Science Foundation Graduate Research Fellowship. “Graças à alta sensibilidade do Roman, podemos encontrar múltiplos eventos de tidal disruption out to distâncias maiores e em épocas cósmicas mais antigas do que nunca.”
Um artigo sobre essa pesquisa publicado na terça-feira em The Astrophysical Journal.
Despedaçando estrelas
O High-Latitude Time-Doman Survey do Roman, uma das três core community surveys, é particularmente adequado para encontrar e estudar TDEs no universo primitivo. Essa pesquisa cobrirá cerca de 18 graus quadrados no céu, uma área equivalente a 90 luas cheias, com uma cadência regular. Ao revisitar repetidamente as mesmas regiões, astrônomos podem encontrar grandes quantidades de eventos transientes como TDEs.
Eventos de tidal disruption são fenômenos exclusivos de buracos negros supermassivos mais leves. Buracos negros mais pesados, com mais de 1 bilhão de massas solares, engolem as estrelas que chegam inteiras. Mas buracos negros mais leves, na faixa de cerca de 100.000 a 100 milhões de massas solares, podem despedaçar uma estrela antes de consumi-la, criando um farol que se torna mais brilhante ao longo de algumas semanas antes de desaparecer gradualmente.
A taxa de TDEs varia ao longo do tempo cósmico. Trabalhos anteriores previram que a taxa de TDEs diminuiria com o aumento da distância, porque a maioria dos buracos negros jovens era leve demais para gerar um TDE. No entanto, esta nova pesquisa leva em conta inúmeros fatores que evoluem com o tempo, como a frequência de fusões de galáxias (e, portanto, de buracos negros) e o número de estrelas no núcleo de cada galáxia, além de quão densamente elas estão agrupadas.
Karmen e seus colegas modelaram esses e outros efeitos para prever quantos eventos de tidal disruption o Roman poderia observar, bem como outros observatórios como o ground-based National Science Foundation-Department of Energy Vera C. Rubin Observatory e o James Webb Space Telescope da NASA. A equipe prevê que os astrônomos verão a taxa de TDEs aumentar à medida que o Roman sondar distâncias maiores e épocas mais antigas até “cosmic noon”, cerca de 11 a 12 bilhões de anos atrás, quando a formação de estrelas atingiu o pico em todo o universo, antes de voltar a diminuir.
Observações complementares
A Roman observará comprimentos de onda próximos do infravermelho da luz. A luz proveniente de TDEs distantes é esticada para comprimentos de onda mais longos pela expansão do universo, um fenômeno conhecido como desvio para o vermelho cosmológico. Como resultado, a Roman é naturalmente otimizada para detectar TDEs cuja luz levou de 8 bilhões a 11 bilhões de anos para chegar até nós.
O Observatório Rubin também fará varreduras de grandes áreas do céu e identificará muitos novos TDEs. No entanto, ele observará luz visível, o que o limita a TDEs mais próximos do que os observados pela Roman.
A pesquisa do time de Karmen indica que o Rubin detectará de milhares a dezenas de milhares de TDEs por ano. Embora a Roman deva encontrar até 100 TDEs por ano, esses buracos negros estarão muito mais distantes, dentro do período da história cósmica que é mais importante para diferenciar entre cenários de origem de buracos negros.
“Ao contar o número de TDEs em função do desvio para o vermelho, é possível impor restrições significativas à população de buracos negros de milhões de massas solares”, disse a coautora Suvi Gezari, professora associada de astronomia na University of Maryland. “A Roman será transformadora porque poderá sondar eventos de ruptura de maré a distâncias maiores, permitindo ver como a taxa de TDEs evolui ao longo do tempo.”
Os astrônomos observaram buracos negros verdadeiramente gigantescos muito no início da história do universo — tão cedo que as teorias têm dificuldade para explicar como eles poderiam ter se tornado tão grandes, tão rapidamente. Eles devem ter começado menores e crescido ao longo do tempo, mas quão menores?
Uma teoria, conhecida como “light seeds” (sementes leves), começa com buracos negros criados a partir das mortes de estrelas massivas. Esses buracos negros poderiam ter massas de até algumas centenas vezes a massa do nosso Sol. Em seguida, eles se fundiriam ao longo do tempo, além de consumirem gás ao redor a uma taxa impressionante. Nesse cenário, espera-se que toda galáxia jovem tenha um buraco negro massivo em seu centro.
Uma segunda teoria, conhecida como “heavy seeds” (sementes pesadas), sugere que um buraco negro poderia nascer com uma massa muito maior, de até um milhão de vezes a massa do nosso Sol, por meio de um processo como a colapso direto de uma nuvem de gás. Esse processo, porém, deve ser menos comum, o que resultaria em buracos negros supermassivos muito mais raros nas galáxias iniciais.
“Eventos de ruptura de maré nos ajudam a sondar a população de buracos negros supermassivos leves, o que pode nos ajudar a discriminar entre esses modelos”, disse Karmen.
No fim, o levantamento de eventos de ruptura de maré da Roman ajudará os pesquisadores a rastrear efeitos globais que impactam a população de buracos negros ao longo do tempo.
Assim que a Roman e o Rubin começarem operações regulares de ciência, o time espera comparar suas previsões com as detecções reais que esses observatórios fizerem.
“Assim como o Webb transformou nossa compreensão de galáxias distantes com alto desvio para o vermelho, a Roman está pronta para transformar nossa compreensão de transientes com alto desvio para o vermelho”, disse Gezari.
O Nancy Grace Roman Space Telescope é gerenciado no NASA’s Goddard Space Flight Center, em Greenbelt, Maryland, com participação do NASA’s Jet Propulsion Laboratory, na Califórnia do Sul; do Caltech/IPAC, em Pasadena, Califórnia; do Space Telescope Science Institute, em Baltimore; e de uma equipe científica composta por cientistas de várias instituições de pesquisa. Os principais parceiros industriais são BAE Systems, Inc., em Boulder, Colorado; L3Harris Technologies, em Melbourne, Flórida; e Teledyne Scientific & Imaging, em Thousand Oaks, Califórnia.
Por Christine Pulliam
Space Telescope Science Institute, Baltimore, Md.