Palomar 5 e o possível enxame oculto de buracos negros de massa estelar

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

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

Estes enxames globulares são frequentemente vistos como "fósseis" do Universo primitivo. São muito densos e esféricos, contendo tipicamente entre cerca de 100.000 e 1 milhão de estrelas muito antigas; alguns, como o NGC 6397, são quase tão velhos como o próprio Universo.

Em qualquer enxame globular, todas as suas estrelas formaram-se ao mesmo tempo, a partir da mesma nuvem de gás. A Via Láctea tem mais de 150 enxames globulares conhecidos; estes objetos são excelentes ferramentas para estudar, por exemplo, a história do Universo ou o conteúdo de matéria escura das galáxias que orbitam.

Mas há outro tipo de agrupamento estelar que tem vindo a despertar mais atenção – as correntes de maré, longos rios de estrelas que se estendem pelo céu.

Anteriormente, estas estruturas eram difíceis de identificar, mas com os dados do observatório espacial Gaia a mapear a Via Láctea em três dimensões com grande precisão, mais destas correntes têm vindo a ser reveladas.

Veja o vídeo abaixo para um resumo da descoberta:

"Não sabemos como estas correntes se formam, mas uma das ideias é que sejam enxames estelares desfeitos", explicou em 2021 o astrofísico Mark Gieles, da Universidade de Barcelona, em Espanha, quando os investigadores anunciaram pela primeira vez a deteção.

"No entanto, nenhuma das correntes descobertas recentemente tem um enxame estelar associado, por isso não podemos ter a certeza.

"Assim, para percebermos como estas correntes se formaram, precisamos de estudar uma que tenha um sistema estelar associado. O Palomar 5 é o único caso, o que faz dele uma Pedra de Roseta para compreender a formação destas correntes, e foi por isso que o estudámos em detalhe."

O Palomar 5 parece ser único por apresentar ao mesmo tempo uma distribuição muito ampla e dispersa de estrelas e uma longa corrente de maré, que cobre mais de 20 graus no céu, pelo que Gieles e a sua equipa concentraram nele a sua atenção.

A equipa recorreu a simulações N-body detalhadas para recriar as órbitas e a evolução de cada estrela do enxame, de forma a perceber como poderiam ter chegado à configuração observada atualmente.

Como evidências recentes sugerem que podem existir populações de buracos negros nas regiões centrais dos enxames globulares, e uma vez que as interações gravitacionais com buracos negros são conhecidas por lançar estrelas para longe, os cientistas incluíram buracos negros em algumas das suas simulações.

Os resultados mostraram que uma população de buracos negros de massa estelar dentro do Palomar 5 poderia ter dado origem à configuração que hoje observamos. As interações orbitais teriam lançado as estrelas para fora do enxame e para a corrente de maré, mas apenas com um número de buracos negros significativamente superior ao previsto.

O facto de as estrelas escaparem do enxame de forma mais eficiente e mais facilmente do que os buracos negros teria alterado a proporção destes últimos, aumentando-a consideravelmente.

"O número de buracos negros é aproximadamente três vezes superior ao esperado a partir do número de estrelas no enxame, e isso significa que mais de 20 por cento da massa total do enxame é composta por buracos negros", disse Gieles.

"Cada um deles tem uma massa de cerca de 20 vezes a massa do Sol, e formaram-se em explosões de supernova no final da vida de estrelas massivas, quando o enxame ainda era muito jovem."

Daqui a cerca de mil milhões de anos, mostraram as simulações da equipa, o enxame irá dissolver-se por completo. Pouco antes disso acontecer, o que restar do enxame será composto apenas por buracos negros, a orbitar o centro galáctico. Isto sugere que o Palomar 5 talvez não seja assim tão único – acabará por se desfazer totalmente numa corrente estelar, tal como outras que já foram descobertas.

Isto sugere também que outros enxames globulares acabarão provavelmente por ter o mesmo destino. E reforça a ideia de que os enxames globulares podem ser excelentes locais para procurar buracos negros que venham eventualmente a colidir, bem como a esquiva classe dos buracos negros de massa intermédia, entre os leves de massa estelar e os gigantes supermassivos.

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

"Uma das grandes incógnitas neste cenário é quantos buracos negros existem nos enxames, algo que é difícil de limitar através de observações porque não conseguimos ver buracos negros. O nosso método dá-nos uma forma de descobrir quantos buracos negros existem num enxame estelar observando as estrelas que eles ejectam."

A investigação foi publicada na Nature Astronomy.

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