Astrônomos medem com maior precisão até hoje a taxa de rotação de um Buraco Negro

ilustração do sistema binário de buracos negros no quasar OJ 287. As observações confirmaram as previsões do modelo teórico. Crédito da ilustração: Gary Poyner.

ilustração do sistema binário de buracos negros no quasar OJ 287. As observações confirmaram as previsões do modelo teórico.
Crédito da ilustração: Gary Poyner.

Uma recente campanha observacional envolvendo mais de duas dezenas de telescópios ópticos e o Telescópio de Raios-X SWIFT da NASA permitiu que uma equipa de astrônomos medisse com bastante precisão a taxa de rotação de um dos mais massivos buracos negros do universo. A taxa de rotação desse buraco negro massivo é um terço do máximo permitido pela Teoria da Relatividade. Esse buraco negro com 18 bilhões de massas solares energiza um quasar chamado de OJ 287, que se localiza a cerca de 3.5 bilhões de anos-luz de distância da Terra.

As Quasi-stellar Radio Sources, ou quasares, são os centros ultra luminosos das galáxias distantes que emitem grandes quantidades de radiação eletromagnética devido à queda de matéria em direção ao buraco negro.

Esse quasar localiza-se muito perto da passagem aparente do movimento do Sol na esfera celeste como visto da Terra, onde as maiores pesquisas por cometas e asteroides são realizadas. Além disso, suas medidas ópticas fotométricas já cobrem mais de 100 anos. Uma análise cuidadosa dessas observações mostram que o OJ 287 tem produzido explosões ópticas quase que periódicas em intervalos de aproximadamente 12 anos, desde 1891. Além disso, uma análise detalhada dos dados mais novos revela a presença de picos duplos nessas explosões.

Essas deduções fizeram com que o Professor Mauri Valtnnen da Universidade de Turku, na Finlândia, e seus colaboradores desenvolvessem um modelo que indica que o quasar OJ 287 abriga dois buracos negros de massas distintas.

Esse modelo envolve um buraco negro massivo com um disco de acreção (um disco de material interestelar formado pela matéria que cai em direção ao buraco negro) e um buraco negro menor que orbita o maior.

O quasar OJ 287 é visível devido à gradual acreção de matéria, presente no disco, no buraco negro maior. Além disso, o buraco negro menor passa pelo disco de acreção durante a sua órbita o que faz com que o material no disco aqueça a temperaturas muito elevadas. Esse material aquecido flui de ambos os lados do disco de acreção e irradia fortemente por semanas. Isso gera picos no brilho e gera picos duplos devido à alta excentricidade da órbita.

O modelo de buraco negro binário para o OJ 287 implica que a órbita do buraco negro menor deve rodar sobre o seu próprio eixo, e isso muda onde e quanto o buraco negro menor impacta o disco de acreção. Esse efeito nasce da Teoria Geral da Relatividade de Einstein e a taxa de precessão depende principalmente da massa dos dois buracos negros e da taxa de rotação do buraco negro mais massivo. Em 2010, Valtnnen e seus colaboradores usaram oito explosões brilhantes do OJ 287 para medir com precisão a taxa de precessão da órbita do buraco negro menor. Essa análise revelou pela primeira vez a taxa de rotação de um buraco negro massivo junto com estimativas precisas para a massa dos dois buracos negros. Isso foi possível já que a órbita do buraco negro menor tem um incrível ângulo de 39 graus em relação ao maior. O modelo Relativístico Geral para o OJ 287 também previu que a próxima explosão deveria ocorrer por volta do dia 25 de Novembro de 2015, que marcou o centésimo aniversário da Teoria Geral da Relatividade de Albert Einstein.

Uma campanha observacional foi então lançada para registar a explosão prevista. A flare óptica prevista começou por volta do dia 18 de Novembro de 2015 e alcançou seu máximo de brilho no dia 4 de Dezembro de 2015. Esse tempo da explosão permitiu que Valtonen e seus colegas medissem diretamente a taxa de rotação do buraco negro mais massivo, como sendo um terço da taxa de rotação máxima permitida pela Teoria Geral da Relatividade. Em outras palavras, seu parâmetro Kerr é de 0.31, sendo que o máximo permitido é 1. Em comparação, o parâmetro Kerr do buraco negro resultante no processo que gerou as primeiras ondas gravitacionais detectadas é estimado abaixo de 0.7.

As observações que levaram a medir com precisão a rotação foram feitas devido à colaboração de um grande número de telescópios no Japão, Coreia do Sul, Índia, Turquia, Grécia, Finlândia, Polônia, Alemanha, Reino Unido, Espanha, USA e México. O esforço, liderado por Staszek Zola na Polônia, envolveu quase 100 astrônomos que operavam seus telescópios. A equipa de Valtonen que desenvolveu e contribuiu para a rotação do buraco negro binário, inclui o astrofísico teórico A. Gopakumar, do TIFR, Índia, e o astrônomo de raios-X italiano, Stefano Ciprini, que obteve e analisou os dados de raios-X.

A ocorrência da explosão óptica prevista do OJ 287 também permitiu que a equipa confirmasse a perda de energia orbital para ondas gravitacionais dentro dos 2% previstos pela Teoria Geral da Relatividade. Isso fornece a primeira evidência indireta para a existência de um buraco negro binário em rotação emitindo ondas gravitacionais. Isso é muito encorajador para o Pulsar Timing Array, que irá detectar diretamente ondas gravitacionais desses sistemas num futuro próximo. Além do mais, a explosão óptica presente do OJ287 serviu para celebrar o centenário da Teoria Geral da Relatividade e adicionar um grau de animação a mais para a primeira observação direta de ondas gravitacionais feita pelo LIGO.

Fonte: Astronomy Now

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