Palomar 5 pode esconder um enxame de mais de 100 buracos negros

Um aglomerado fofo de estrelas, espalhado pelo céu como um borrão luminoso, pode guardar um segredo no seu interior: um enxame com mais de 100 buracos negros de massa estelar.

Palomar 5 e o seu rastro estelar

O agrupamento 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 como esses costumam ser vistos como “fósseis” do Universo primitivo. Eles são muito densos e aproximadamente esféricos, em geral com algo entre 100.000 e 1 milhão de estrelas bem 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 cerca de 150 aglomerados globulares conhecidos; por isso, esses sistemas são ferramentas valiosas para investigar, por exemplo, a história do Universo ou o conteúdo de matéria escura das galáxias em torno das quais eles orbitam.

Ao mesmo tempo, outro tipo de agrupamento estelar vem ganhando destaque: os fluxos de maré, verdadeiros rios longos de estrelas que atravessam o céu.

Até pouco tempo, eles eram difíceis de identificar. Porém, com o observatório espacial Gaia a mapear a Via Láctea com alta precisão em três dimensões, mais desses fluxos passaram a ser revelados.

“Não sabemos como esses fluxos se formam, mas uma ideia é que sejam aglomerados estelares que foram desagregados”, explicou o astrofísico Mark Gieles, da Universidade de Barcelona, em Espanha, em 2021, quando os investigadores anunciaram a descoberta.

“No entanto, nenhum dos fluxos descobertos recentemente tem um aglomerado estelar associado e, por isso, não podemos ter certeza. Então, para entender como esses fluxos se formaram, precisamos estudar um que tenha um sistema estelar ligado a ele. Palomar 5 é o único caso, tornando-o uma Pedra de Roseta para compreender a formação de fluxos - e é por isso que o estudámos em detalhe.”

Simulações e o papel dos buracos negros em Palomar 5

O Palomar 5 parece especial por reunir duas características ao mesmo tempo: uma distribuição de estrelas muito ampla e pouco compacta, além de um fluxo de maré extenso, que ocupa mais de 20 graus do céu. Por isso, Gieles e a sua equipa decidiram concentrar a investigação nele.

Para descobrir como o sistema chegou à configuração atual, o grupo recorreu a simulações detalhadas de N corpos, reconstruindo as órbitas e a evolução de cada estrela do 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 longe - os cientistas incluíram buracos negros em parte das simulações.

Os resultados mostraram que uma população de buracos negros de massa estelar dentro de Palomar 5 poderia explicar o cenário observado hoje. As interações orbitais teriam “lançado” as estrelas para fora do aglomerado e para dentro do fluxo de maré, mas apenas se o número de buracos negros fosse significativamente maior do que o previsto.

Como as estrelas escapariam do aglomerado de forma mais eficiente e com mais facilidade do que os próprios buracos negros, a proporção de buracos negros no conjunto acabaria a aumentar de maneira considerável.

“O número de buracos negros é aproximadamente três vezes maior do que o esperado para a quantidade 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 muito massivas, quando o aglomerado ainda era muito jovem.”

O futuro do aglomerado e o que isso indica

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

A implicação é que outros aglomerados globulares também podem partilhar, eventualmente, o mesmo destino. Além disso, o resultado reforça a ideia de que aglomerados globulares podem ser locais excelentes para procurar buracos negros que acabarão por colidir, bem como a classe difícil de detectar de buracos negros de massa intermediária, entre os de massa estelar e os 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, o que é difícil de restringir observacionalmente porque não conseguimos ver buracos negros. O nosso método nos dá uma forma de aprender quantos buracos negros há num aglomerado estelar ao observar as estrelas que eles ejetam.”

A pesquisa foi publicada na Nature Astronomia.

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