Astrônomos encontraram provas da existência de uma estrela que gira ao redor de um buraco negro ao ritmo de duas vezes por hora. Esta pode ser a mais íntima dança orbital já observada entre um provável buraco negro e uma estrela companheira.
Esta descoberta foi feita com o uso do Observatório Chandra de Raios X, o NuSTAR da NASA e o Conjunto Compacto Telescópico do CSIRO na Austrália (ATCA).
Uma dupla estelar bem próxima – denominada uma binária – está localizada no aglomerado globular 47 Tucanae, um denso aglomerado de estrelas em nossa galáxia, distante uns 14.800 anos-luz da Terra.
Enquanto astrônomos vêm observando esta binária há muitos anos, somente em 2015 observações de rádio com o ATCA revelaram que o par provavelmente contém um buraco negro atraindo material de uma estrela companheira chamada anã branca, uma estrela de baixa massa que teve a maior parte de seu combustível nuclear exaurida.
Novos dados do Chandra deste sistema, chamado X9, mostram que sua intensidade de brilho em raios X varia da mesma maneira a cada 28 minutos, o que é, provavelmente, o espaço de tempo que sua estrela companheira leva para completar uma órbita ao redor do buraco negro. Dados do Chandra também mostram provas da presença de grandes quantidades de oxigênio no sistema, uma particularidade característica das anãs brancas. Uma forte hipótese pode, portanto, ser aventada de que a estrela companheira é uma anã branca, a qual estaria então orbitando o buraco negro a apenas cerca de 2,5 vezes a distância de separação entre a Terra e a Lua.
“Esta anã branca está tão próxima do buraco negro que o material está sendo atraído para longe da estrela e despejado em um disco de matéria ao redor do buraco negro, antes de cair lá dentro,” disse o primeiro autor Arash Bahramian, da Universidade de Alberta, em Edmonton, Canadá, e da Michigan State University, em East Lansing. “felizmente para essa estrela, nós não achamos que ela irá seguir esse caminho rumo ao esquecimento, mas, ao contrário, irá permanecer em órbita.”
Embora a anã branca não pareça estar sob risco de cair ou ser destroçada pelo buraco negro, seu destino é incerto.
“Ao fim, tanta matéria poderá ter sido extraída da anã branca que ela acabará tendo apenas a massa de um planeta,” disse o coautor Craig Heinke, também da Universidade de Alberta. “Se continuar perdendo massa, a anã branca poderá se evaporar completamente.”
E como foi que o buraco negro conseguiu essa companheira tão próxima? Uma possibilidade é a de que o buraco negro tenha se esmagado, formando uma estrela gigante vermelha, e o gás das regiões externas da estrela tenha sido ejetado da binária. O núcleo remanescente da estrela gigante vermelha se transformaria em uma anã branca, a qual se tornaria uma companheira binária do buraco negro. A órbita da binária então se encolheria quando ondas gravitacioanais fossem emitidas, até que o buraco negro começasse a atrair material da anã branca.
As ondas gravitacionais atualmente sendocproduzidas pela binária têm uma frequência que é muito baixa para serem detectadas com o Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO, que recentemente detectou ondas gravitacionais de buracos negros em fusão.Fontes como X9 poderiam potencialmente ser detectadas com futuros observatórios de ondas gravitacionais no espaço.
Uma explicação alternativa para as observações é a de que a anã branca teria como parceira uma estrela de nêutrons, em vez de um buraco negro. Neste cenário, a estrela de nêutrons gira mais rápido à medida que atrai material de uma estrela companheira via um disco, um processo que pode levar a estrela de nêutrons a girar sobre seu eixo ao ritmo de milhares de vezes por segundo. Alguns desses objetos, chamados pulsares transicionais de milissegundos, foram observados próximo ao fim dessa fase de aumento de giro. Os autores não favorecem essa possibilidade, já que pulsares transicionais de millisegundos têm propriedades não observadas em X9, como a extrema variabilidade em comprimentos de onda de raios X e rádio. Entretanto, eles não podem refutar essa explicação.
“Nós vamos observar de perto essa binária no futuro, já que pouco sabemos sobre como um sistema extremo assim deveria se comportar”, disse o coautor Vlad Tudorda Universidade Curtin e do Centro Internacional de Pesquisas de Radioastronomia em Perth, Austrália. “Nós também continuaremos a estudar aglomerados globulares em nossa galáxia para ver se é possível encontrar mais provas de binárias muito próximas de buracos negros.”
Tradução de Luiz Leitão da Cunha
Astronomers have found evidence for a star that whips around a black hole about twice an hour. This may be the tightest orbital dance ever witnessed for a likely black hole and a companion star.
This discovery was made using NASA’s Chandra X-ray Observatory as well as NASA’s NuSTAR and CSIRO’s Australia Telescope Compact Array (ATCA).
The close-in stellar couple – known as a binary – is located in the globular cluster 47 Tucanae, a dense cluster of stars in our galaxy about 14,800 light years from Earth.
While astronomers have observed this binary for many years, it wasn’t until 2015 that radio observations with the ATCA revealed the pair likely contains a black hole pulling material from a companion star called a white dwarf, a low-mass star that has exhausted most or all of its nuclear fuel.
New Chandra data of this system, known as X9, show that it changes in X-ray brightness in the same manner every 28 minutes, which is likely the length of time it takes the companion star to make one complete orbit around the black hole. Chandra data also shows evidence for large amounts of oxygen in the system, a characteristic feature of white dwarfs. A strong case can, therefore, be made that the companion star is a white dwarf, which would then be orbiting the black hole at only about 2.5 times the separation between the Earth and the Moon.
“This white dwarf is so close to the black hole that material is being pulled away from the star and dumped onto a disk of matter around the black hole before falling in,” said first author Arash Bahramian of the University of Alberta in Edmonton, Canada, and Michigan State University in East Lansing. “Luckily for this star, we don’t think it will follow this path into oblivion, but instead will stay in orbit.”
Although the white dwarf does not appear to be in danger of falling in or being torn apart by the black hole, its fate is uncertain.
“Eventually so much matter may be pulled away from the white dwarf that it ends up only having the mass of a planet,” said co-author Craig Heinke, also of the University of Alberta. “If it keeps losing mass, the white dwarf may completely evaporate.”
How did the black hole get such a close companion? One possibility is that the black hole smashed into a red giant star, and then gas from the outer regions of the star was ejected from the binary. The remaining core of the red giant would form into a white dwarf, which becomes a binary companion to the black hole. The orbit of the binary would then have shrunk as gravitational waves were emitted, until the black hole started pulling material from the white dwarf.
The gravitational waves currently being produced by the binary have a frequency that is too low to be detected with Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO, that has recently detected gravitational waves from merging black holes. Sources like X9 could potentially be detected with future gravitational wave observatories in space.
An alternative explanation for the observations is that the white dwarf is partnered with a neutron star, rather than a black hole. In this scenario, the neutron star spins faster as it pulls material from a companion star via a disk, a process that can lead to the neutron star spinning around its axis thousands of times every second. A few such objects, called transitional millisecond pulsars, have been observed near the end of this spinning up phase. The authors do not favor this possibility as transitional millisecond pulsars have properties not seen in X9, such as extreme variability at X-ray and radio wavelengths. However, they cannot disprove this explanation.
“We’re going to watch this binary closely in the future, since we know little about how such an extreme system should behave”, said co-author Vlad Tudor of Curtin University and the International Centre for Radio Astronomy Research in Perth, Australia. “We’re also going to keep studying globular clusters in our galaxy to see if more evidence for very tight black hole binaries can be found.”
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