Portugal - Como um buraco negro pode estar a eliminar estrelas binárias do centro da Via Láctea

Estudo da Universidade de Coimbra publicado na revista Astronomy & Astrophysics ajuda a explicar a reduzida presença de sistemas de estrelas binárias junto ao buraco negro supermassivo no centro da nossa galáxia

No centro da Via Láctea, a escassos anos-luz de distância, um conjunto de estrelas muito jovens orbita Sagittarius A*, o buraco negro supermassivo da nossa galáxia. A presença destas estrelas num ambiente de forças gravitacionais extremas tem intrigado a comunidade científica.

Um novo estudo desenvolvido por investigadores da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra (FCTUC), em parceria com a Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto (FEUP) e a Universidade de Amsterdão, revela agora que a influência gravitacional do próprio buraco negro é responsável por destruir e alterar uma grande parte dos sistemas estelares duplos (sistemas binários) naquela região.

O trabalho, liderado por Rodrigo Silva, investigador e aluno de doutoramento da FCTUC (vinculado ao CFisUC e CENTRA), foi publicado na conceituada revista científica internacional Astronomy & Astrophysics (Letter).

As estrelas que orbitam Sagittarius A*, conhecidas como aglomerado S, são maioritariamente estrelas do tipo B, com idades de alguns milhões de anos. A sua presença nas proximidades de um buraco negro supermassivo constitui um desafio para a Astrofísica, uma vez que as intensas forças gravitacionais nesta região dificultam os processos habituais de formação estelar. Este problema é conhecido como «paradoxo da juventude».

Uma das hipóteses propostas para explicar a origem destas estrelas é a de que se tenham formado no próprio local onde hoje são observadas, a partir da fragmentação de uma camada de gás denso. Neste cenário, compreender a proporção de estrelas que integram sistemas binários pode ajudar a esclarecer as condições em que se formaram e a evolução que tiveram desde então.

Para testar esta hipótese, os investigadores recorreram a simulações numéricas que permitem acompanhar a evolução de sistemas binários sob a influência gravitacional de Sagittarius A*. Os resultados mostram que este ambiente pode alterar significativamente a população inicial de estrelas binárias: cerca de 20% dos sistemas simulados são separados pelas forças de maré do buraco negro, 18% acabam por se fundir e 62% sobrevivem como sistemas binários.

Partindo de uma proporção inicial de sistemas binários semelhante à observada noutras populações de estrelas massivas, as simulações apontam para uma proporção final de cerca de 38%. Este valor é compatível com a estimativa observacional de aproximadamente 43%, obtida pelos investigadores para o aglomerado S. A concordância entre os dois valores constitui o principal resultado do estudo e mostra que a reduzida proporção de sistemas binários nesta região pode ser explicada, pelo menos em parte, pelas interações gravitacionais com o buraco negro.

A estimativa observacional foi refinada com a inclusão do sistema D9, identificado em 2024 e considerado o primeiro sistema binário conhecido no aglomerado S. A sua descoberta permitiu melhorar as restrições observacionais utilizadas pelos investigadores para calcular a proporção destes sistemas na região central da Galáxia.

As simulações revelam ainda que a proporção de sistemas binários aumenta com a distância a Sagittarius A*, à medida que diminui a intensidade das forças de maré exercidas pelo buraco negro. Esta tendência é também compatível com os limites observa cionais obtidos em estudos anteriores para diferentes distâncias do centro galáctico.

Os resultados apoiam, assim, o cenário de formação no próprio local para as estrelas do aglomerado S. De acordo com esta interpretação, as estrelas poderão ter-se formado nas proximidades de Sagittarius A* e, ao longo do tempo, as interações gravitacionais terão alterado a proporção de sistemas binários inicialmente existente.

O episódio de formação estelar considerado neste cenário pelos autores poderá ainda estar associado a uma fase de atividade do centro galáctico que terá dado origem às bolhas de Fermi, enormes estruturas observadas em raios gama que se estendem acima e abaixo do plano da Via Láctea. Esta possível ligação constitui uma pista adicional para compreender a história de atividade do centro da nossa Galáxia, embora careça de confirmação.

Ao estudar a evolução dos sistemas binários num dos ambientes mais extremos da Via Láctea, os investigadores da FCTUC e FEUP contribuem para compreender melhor não só o comportamento das estrelas nas proximidades de um buraco negro supermassivo, mas também a sua possível origem e a história de formação estelar no centro galáctico. Universidade de Coimbra - Portugal

Internacional - Estudo mostra que emissão de axiões pode alterar processo de evaporação de buracos negros

Um estudo da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra (FCTUC), em colaboração com a Universidade de Oxford, evidencia que a emissão de axiões pelo efeito de Hawking pode alterar completamente o processo de evaporação de um buraco negro. Os detalhes da investigação estão publicados na revista Physical Review Letters.

 

Os axiões são partículas hipotéticas muito leves, eletricamente neutras e fracamente interativas, o que as torna extremamente difíceis de detetar. Foram propostos pela primeira vez na década de 1970 para explicar algumas das propriedades da interação forte. A teoria de cordas, em particular, prevê que existam centenas ou, até mesmo, milhares de espécies de axiões com massas diferentes.

Esta publicação mostra ainda que ao contrário da emissão de fotões, eletrões ou outras das partículas que conhecemos, a emissão de axiões pode fazer um buraco negro rodar mais depressa sobre si mesmo. «Simulamos computacionalmente a evaporação de um buraco negro desde os primórdios do universo até aos dias de hoje, tendo em conta a emissão das partículas conhecidas e de um número arbitrário de axiões», explica João Rosa, docente do Departamento de Física da FCTUC e investigador do Centro de Física da Universidade de Coimbra (CFisUC).

«Ficamos muito entusiasmados com os resultados que obtivemos, porque percebemos que poderíamos determinar se existem ou não centenas de axiões leves, como prevê a teoria de cordas, simplesmente medindo a velocidade com que os buracos negros primordiais rodam sobre si mesmos», revela o físico, acrescentando que buracos negros com massas diferentes, por estarem em diferentes fases de evaporação, terão também velocidades de rotação distintas, dependendo apenas de quantas espécies de axiões existem na natureza. 

O estudo demonstra ainda que a rotação tem um efeito mensurável no espectro da radiação de Hawking emitida por um buraco negro, ou seja, na variação da intensidade da radiação com a energia. «Assim, se encontramos um ou mais destes buracos negros poderemos usá-lo como um autêntico laboratório de física de partículas. De acordo com os dados astrofísicos de que dispomos, estes buracos negros deverão ser relativamente raros, sendo, no entanto, possível que um ou mais passem suficientemente perto do sistema solar nos próximos anos para os conseguirmos observar», acredita o físico. 

Por fim, foi possível concluir que a evaporação dos buracos negros primordiais poderá ter permeado o universo de axiões que viajam a velocidades muito próximas das da luz, o que constitui uma outra “assinatura” da teoria de cordas que os cientistas podem procurar detetar. Universidade de Coimbra - Portugal

Internacional - Inverter a seta do tempo nem sempre é possível

Quando três ou mais corpos celestes interagem entre si, é impossível inverter o seu movimento. Esta é a descoberta de uma equipa internacional de investigadores, liderada por Tjarda Boekholt, do Centro de Física da Universidade de Coimbra (UC), através de simulações em computador do movimento de três buracos negros.

O estudo, que contribui para uma melhor compreensão “microscópica” da seta do tempo, um dos maiores mistérios da física, vai ser publicado na edição de abril da revista científica The Monthly Notices da Royal Astronomical Society.

A maioria das leis fundamentais da física não tem problemas com a direção em que elas ocorrem. Como os cientistas gostam de dizer, elas são simétricas no tempo. No entanto, todos sabemos que o tempo não pode voltar para trás. Um copo que cai e se parte não pode voltar inteiro para a nossa mão. Até aqui, os cientistas explicaram a quebra de simetria no tempo devido à interação estatística entre um grande número de partículas. Agora, os astrónomos Tjarda Boekholt (Universidade de Coimbra, Portugal), Simon Portegies Zwart (Universidade de Leiden, Países-Baixos) e Mauri Valtonen (Universidade de Turku, Finlândia) mostram que não são precisas muitas partículas, mas apenas três são suficientes para quebrar a simetria no tempo.

Os investigadores calcularam as órbitas de três buracos negros que interagem entre si. Fizeram dois tipos de simulações. Na primeira, os buracos negros estão inicialmente em repouso. Devido à gravidade, eles atraem-se mutuamente e cruzam-se percorrendo órbitas caóticas, até que um dos buracos negros escapa à atração dos outros dois. Na segunda simulação, o sistema começa com a situação final da simulação anterior, e tenta reverter o tempo de volta à situação inicial.

As simulações mostram que o tempo não pode ser revertido em 5% dos cálculos. Mesmo que o computador use mais de cem casas decimais, a simetria do tempo é interrompida pelo crescimento exponencial de perturbações do tamanho do comprimento de Planck, que é cerca de 10-35 metros. Estes 5% não são, por isso, uma questão de melhores computadores ou métodos de cálculo mais inteligentes, como se pensava anteriormente.

Os astrónomos explicam a irreversibilidade usando o conceito de comprimento de Planck. Este é um princípio conhecido na física que se aplica a fenómenos ao nível do átomo. O investigador principal, Tjarda Boekholt, diz que «o movimento dos três buracos negros pode ser tão caótico que algo tão pequeno quanto o comprimento de Planck entra em ação. A simetria do tempo é quebrada por distúrbios do tamanho do comprimento de Planck».

O coautor Portegies Zwart acrescenta que «não poder voltar para trás no tempo deixa de ser um argumento estatístico. Este fenómeno está oculto nas leis básicas da Natureza. Nenhum sistema de três objetos em movimento, grandes ou pequenos, planetas ou buracos negros, pode escapar à direção do tempo».

O principal resultado deste trabalho, destaca Tjarda Boekholt, «é mostrar que existem sistemas no Universo que são fundamentalmente imprevisíveis. Isso é consequência da teoria do caos e do crescimento exponencial de pequenas perturbações de tamanho do comprimento de Planck. Portanto, os astrónomos têm que tentar entender os sistemas de forma mais qualitativa».

Outra consequência, conclui o investigador da UC, «é que os sistemas se tornam assimétricos no tempo, mesmo que as equações subjacentes sejam simétricas no tempo. Agora há uma direção preferível, ou seja, podemos distinguir o futuro do passado. O nosso estudo é um primeiro passo para uma melhor compreensão “microscópica” da seta do tempo». Universidade de Coimbra - Portugal

Artigo Científico: “Gargantuan chaotic gravitational three-body systems and their irreversibility to the Planck length”. By: T.C.N. Boekholt, S.F. Portegies Zwart, M. Valtonen. In: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 493, Issue 3, April 2020, Pages 3932–3937, https://doi.org/10.1093/mnras/staa452 (original)