Gaia detectou um enxame de buracos negros viajando pela Via Láctea.

Um aglomerado fofo de estrelas espalhado pelo céu pode esconder um segredo no seu núcleo: um enxame com mais de 100 buracos negros de massa estelar.

O aglomerado em questão chama-se Palomar 5. Trata-se de um fluxo estelar que se estende por 30,000 anos-luz e fica a cerca de 80,000 anos-luz de distância.

Aglomerados globulares: “fósseis” do Universo primitivo

Esses aglomerados globulares costumam ser vistos como “fósseis” do Universo inicial. São sistemas muito densos e aproximadamente esféricos, que normalmente reúnem entre 100,000 e 1 milhão de estrelas muito antigas; alguns, como o NGC 6397, têm idade quase tão grande quanto a do próprio Universo.

Em qualquer aglomerado globular, todas as estrelas nasceram ao mesmo tempo, a partir da mesma nuvem de gás. A Via Láctea tem mais de 150 aglomerados globulares conhecidos; por isso, esses objetos são ferramentas valiosas para investigar, por exemplo, a história do Universo ou o conteúdo de matéria escura das galáxias que eles orbitam.

Fluxos de maré (tidal streams): rios longos de estrelas no céu

Mas há outro tipo de agrupamento estelar que vem chamando cada vez mais atenção: os fluxos de maré, grandes rios de estrelas que se desenham no céu ao longo de enormes distâncias.

Durante muito tempo, eles foram difíceis de identificar. Isso mudou com os dados do observatório espacial Gaia, que mapeou a Via Láctea com alta precisão em três dimensões, revelando um número maior desses fluxos.

Assista ao vídeo abaixo para um resumo da descoberta:

Por que o Palomar 5 é tão importante para entender a formação de fluxos estelares

"Não sabemos como esses fluxos se formam, mas uma ideia é que sejam aglomerados estelares desestruturados", explicou em 2021 o astrofísico Mark Gieles, da Universidade de Barcelona, na Espanha, quando os pesquisadores anunciaram pela primeira vez a detecção.

"No entanto, nenhum dos fluxos descobertos recentemente tem um aglomerado estelar associado a ele, portanto não podemos ter certeza.

"Então, para entender como esses fluxos se formaram, precisamos estudar um que tenha um sistema estelar associado a ele. O Palomar 5 é o único caso, tornando-se uma Pedra de Roseta para entender a formação de fluxos e é por isso que nós o estudamos em detalhe."

O Palomar 5 parece ser um caso singular por combinar uma distribuição de estrelas muito ampla e frouxa com um longo fluxo de maré, que atravessa mais de 20 graus do céu - motivo pelo qual Gieles e sua equipa concentraram a investigação nele.

Simulações de N-corpos e buracos negros de massa estelar no Palomar 5

Para reconstruir como o sistema chegou ao estado atual, a equipa recorreu a simulações detalhadas de N-corpos, reproduzindo as órbitas e a evolução de cada estrela do aglomerado e testando cenários capazes de posicioná-las onde estão hoje.

Como evidências recentes sugerem que pode haver populações de buracos negros nas regiões centrais de aglomerados globulares, e como já se sabe que interações gravitacionais com buracos negros podem arremessar estrelas para longe, 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 atualmente. As interações orbitais teriam “atirado” as estrelas para fora do aglomerado e para dentro do fluxo de maré - porém apenas se houvesse um número de buracos negros significativamente maior do que o previsto.

Como as estrelas escapariam do aglomerado com mais eficiência e mais facilidade do que os buracos negros, isso teria mudado a proporção desses objetos, elevando-a 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 percent 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 destino do aglomerado e o que isso indica sobre outros aglomerados globulares

As simulações da equipa mostraram que, em cerca de um bilhão de anos, o aglomerado vai se dissolver por completo. Pouco antes disso acontecer, o que restar do sistema será formado inteiramente por buracos negros, orbitando o centro galáctico. Isso sugere que o Palomar 5 talvez não seja tão único assim - ele deve se desfazer totalmente em um fluxo estelar, tal como outros que já foram identificados.

A conclusão também aponta que outros aglomerados globulares provavelmente acabarão com o mesmo destino. Além disso, reforça a ideia de que aglomerados globulares podem ser locais excelentes para procurar buracos negros que, no futuro, colidirão, bem como a classe difícil de detectar de buracos negros de massa intermediária, entre os “leves” de massa estelar e os “pesados” supermassivos.

Fusões de buracos negros binários e como estimar quantos existem em aglomerados

"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 em aglomerados, o que é difícil de limitar por observações porque não conseguimos ver buracos negros. Nosso método nos dá uma forma de aprender quantos buracos negros existem em um aglomerado estelar observando as estrelas que eles ejetam."

A pesquisa foi publicada na Nature Astronomy.

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