25.4: O Centro da Galáxia
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Objetivos de
Ao final desta seção, você poderá:
- Descreva as observações de rádio e raios-X que indicam que fenômenos energéticos estão ocorrendo no centro galáctico
- Explique o que foi revelado pela imagem de alta resolução no infravermelho próximo do centro galáctico
- Discuta como essas imagens quase infravermelhas, quando combinadas com a terceira lei do movimento de Kepler, podem ser usadas para derivar a massa do objeto gravitante central
No início deste capítulo, sugerimos que o núcleo da nossa galáxia contém uma grande concentração de massa. Na verdade, agora temos evidências de que o próprio centro contém um buraco negro com uma massa equivalente a 4,6 milhões de sóis e que toda essa massa se encaixa em uma esfera que tem menos do que o diâmetro da órbita de Mercúrio. Esses buracos negros monstruosos são chamados de buracos negros supermassivos pelos astrônomos, para indicar que a massa que eles contêm é muito maior do que a do buraco negro típico criado pela morte de uma única estrela. É incrível que tenhamos evidências muito convincentes de que esse buraco negro realmente existe. Afinal, lembre-se do capítulo sobre buracos negros e espaço-tempo curvo que não podemos ver um buraco negro diretamente porque, por definição, ele não irradia energia. E não podemos nem mesmo ver o centro da galáxia na luz visível por causa da absorção pela poeira interestelar que fica entre nós e o centro galáctico. A luz da região central da Galáxia é atenuada por um fator de um trilhão (\(10^{12}\)) por toda essa poeira.
Felizmente, não somos tão cegos em outros comprimentos de onda. A radiação infravermelha e de rádio, que têm comprimentos de onda longos em comparação com os tamanhos dos grãos de poeira interestelar, fluem sem impedimentos além das partículas de poeira e, assim, alcançam nossos telescópios com quase nenhum escurecimento. Na verdade, a fonte de rádio muito brilhante no núcleo da Galáxia, agora conhecida como Sagitário A* (pronunciado “Sagitário A-star” e abreviado Sgr A*), foi a primeira fonte de rádio cósmica descoberta pelos astrônomos.
Uma viagem em direção ao centro
Vamos fazer uma viagem ao misterioso coração da nossa galáxia e ver o que está lá. \(\PageIndex{1}\)A figura é uma imagem de rádio de uma região com cerca de 1500 anos-luz de diâmetro, centrada em Sagitário A, uma fonte de rádio brilhante que contém o menor Sagitário A*. Grande parte da emissão de rádio vem do gás quente aquecido por aglomerados de estrelas quentes (as próprias estrelas não produzem emissão de rádio e não podem ser vistas na imagem) ou por ondas de explosão de supernovas. A maioria dos círculos ocos visíveis na imagem do rádio são restos de supernovas. A outra fonte principal de emissão de rádio é a de elétrons que se movem em alta velocidade em regiões com campos magnéticos fortes. Os arcos e “fios” finos e brilhantes na figura nos mostram onde esse tipo de emissão é produzido.
Agora vamos nos concentrar na região central usando uma forma mais energética de radiação eletromagnética. A figura\(\PageIndex{2}\) mostra a emissão de raios-X de uma região menor com 400 anos-luz de largura e 900 anos-luz de diâmetro, centrada em Sagitário A*. Vemos nesta foto centenas de anãs brancas quentes, estrelas de nêutrons e buracos negros estelares com discos de acreção brilhando com raios-X. A névoa difusa na imagem é emitida pelo gás que está entre as estrelas e está a uma temperatura de 10 milhões de K.
À medida que nos aproximamos do centro da galáxia, encontramos o buraco negro supermassivo Sagitário A*. Também existem milhares de estrelas dentro de alguns anos-luz de Sagitário A*. A maioria delas são estrelas antigas e avermelhadas da sequência principal. Mas também existem cerca de uma centena de estrelas OB quentes que devem ter se formado nos últimos milhões de anos. Ainda não há uma boa explicação de como as estrelas poderiam ter se formado recentemente tão perto de um buraco negro supermassivo. Talvez eles tenham se formado em um denso aglomerado de estrelas que estava originalmente a uma distância maior do buraco negro e posteriormente migraram para mais perto.
Atualmente, não há formação de estrelas no centro galáctico, mas há muita poeira e gás molecular girando em torno do buraco negro, junto com algumas correntes de gás ionizado que são aquecidas pelas estrelas quentes. A figura\(\PageIndex{3}\) é um mapa de rádio que mostra essas correntes de gás.
Encontrando o coração da galáxia
Exatamente o que é Sagitário A*, que fica bem no centro da nossa galáxia? Para estabelecer que realmente existe um buraco negro lá, devemos mostrar que há uma quantidade muito grande de massa amontoada em um volume muito pequeno. Como vimos em Buracos Negros e no Espaço-Tempo Curvo, provar que um buraco negro existe é um desafio porque o buraco negro em si não emite radiação. O que os astrônomos devem fazer é provar que um buraco negro é a única explicação possível para nossas observações — que uma pequena região contém muito mais massa do que poderia ser explicada por um aglomerado de estrelas muito denso ou algo mais feito de matéria comum.
Para colocar alguns números nessa discussão, o raio do horizonte de eventos de um buraco negro galáctico com uma massa de cerca de 4 milhões\(M_{\text{Sun}}\) seria apenas cerca de 17 vezes o tamanho do Sol — o equivalente a uma única estrela gigante vermelha. A densidade correspondente nessa região do espaço seria muito maior do que a de qualquer aglomerado estelar ou qualquer outro objeto astronômico comum. Portanto, devemos medir o diâmetro de Sagitário A* e sua massa. Tanto observações de rádio quanto de infravermelho são necessárias para nos fornecer as evidências necessárias.
Primeiro, vamos ver como a massa pode ser medida. Se nos concentrarmos nos poucos dias de luz internos da galáxia com um telescópio infravermelho equipado com óptica adaptativa, veremos uma região cheia de estrelas individuais (Figura\(\PageIndex{4}\)). Essas estrelas já foram observadas há quase duas décadas e os astrônomos detectaram seus rápidos movimentos orbitais em torno do centro da galáxia.
Confira uma versão animada de Figure\(\PageIndex{4}\), mostrando o movimento das estrelas ao longo dos anos.
Se combinarmos observações de seus períodos e o tamanho de suas órbitas com a terceira lei de Kepler, podemos estimar a massa do objeto que os mantém em suas órbitas. Uma das estrelas foi observada por sua órbita completa de 15,6 anos. Sua aproximação mais próxima o leva a uma distância de apenas 124 UA ou cerca de 17 horas-luz do buraco negro. Essa órbita, quando combinada com observações de outras estrelas próximas ao centro galáctico, indica que uma massa de 4,6 milhões de M de Sol deve estar concentrada dentro da órbita, ou seja, dentro de 17 horas-luz do centro da galáxia.
Limites ainda mais rígidos sobre o tamanho da concentração de massa no centro da galáxia vêm da radioastronomia, que forneceu a primeira pista de que um buraco negro poderia estar no centro da galáxia. À medida que a matéria gira em direção ao horizonte de eventos de um buraco negro, ela é aquecida em um disco de acreção giratório e produz radiação de rádio. (Esses discos de acreção foram explicados em Buracos Negros e Espaço-Tempo Curvo.) Medições do tamanho do disco de acreção com o Very Long Baseline Array, que fornece uma resolução espacial muito alta, mostram que o diâmetro da fonte de rádio Sagittarius A* não é maior do que cerca de 0,3 UA, ou aproximadamente o tamanho da órbita de Mercúrio. (Em unidades de luz, são apenas 2,5 minutos-luz!)
As observações mostram, portanto, que 4,6 milhões de massas solares estão amontoadas em um volume que tem um diâmetro que não é maior que a órbita de Mercúrio. Se isso fosse algo diferente de um buraco negro supermassivo - estrelas de baixa massa que emitem pouca luz ou estrelas de nêutrons ou um número muito grande de pequenos buracos negros - os cálculos mostram que esses objetos estariam tão densamente compactados que colapsariam em um único buraco negro em cem mil anos. Esse é um tempo muito curto em comparação com a idade da Galáxia, que provavelmente começou a se formar há mais de 13 bilhões de anos. Como parece muito improvável que tivéssemos capturado um conjunto tão complexo de objetos pouco antes de ele entrar em colapso, a evidência de um buraco negro supermassivo no centro da galáxia é realmente convincente.
Encontrando a fonte
De onde veio nosso buraco negro galáctico? A origem dos buracos negros supermassivos em galáxias como a nossa é atualmente um campo ativo de pesquisa. Uma possibilidade é que uma grande nuvem de gás perto do centro da Via Láctea tenha colapsado diretamente para formar um buraco negro. Como encontramos grandes buracos negros no centro da maioria das outras grandes galáxias (veja Galáxias Ativas, Quasares e Buracos Negros Supermassivos) — mesmo aqueles que são muito jovens — esse colapso provavelmente teria ocorrido quando a Via Láctea estava começando a tomar forma. A massa inicial desse buraco negro pode ter sido de apenas algumas dezenas de massas solares. Outra maneira de começar é que uma estrela massiva pode ter explodido para deixar para trás um buraco negro semente, ou um denso aglomerado de estrelas pode ter colapsado em um buraco negro.
Quando um buraco negro existe no centro de uma galáxia, ele pode crescer nos próximos bilhões de anos devorando estrelas próximas e nuvens de gás nas regiões centrais lotadas. Também pode crescer ao se fundir com outros buracos negros.
Parece que o buraco negro monstruoso no centro da nossa galáxia não acabou de “comer”. Atualmente, observamos nuvens de gás e poeira caindo no centro galáctico a uma taxa de cerca de 1\(M_{\text{Sun}}\) por mil anos. As estrelas também estão no menu do buraco negro. A densidade de estrelas próximas ao centro galáctico é alta o suficiente para que esperássemos que uma estrela passasse perto do buraco negro e fosse engolida por ele a cada dez mil anos ou mais. Quando isso acontece, parte da energia da queda é liberada como radiação. Como resultado, o centro da galáxia pode brilhar e até mesmo ofuscar brevemente todas as estrelas da Via Láctea. Outros objetos também podem se aventurar muito perto do buraco negro e ser puxados para dentro. A intensidade do clarão que observamos dependeria da massa do objeto caindo nela.
Em 2013, o satélite de raios-X Chandra detectou um reflexo do centro de nossa galáxia que era 400 vezes mais brilhante do que a saída usual de Sagitário A*. Um ano depois, um segundo reflexo, com apenas metade do brilho, também foi detectado. Isso é muito menos energia do que a ingestão de uma estrela inteira produziria. Existem duas teorias para explicar as explosões. Primeiro, um asteroide pode ter se aventurado muito perto do buraco negro e aquecido a uma temperatura muito alta antes de ser engolido. Alternativamente, as explosões podem ter envolvido interações dos campos magnéticos próximos ao centro galáctico em um processo semelhante ao descrito para explosões solares (veja O Sol: Uma Estrela Variada de Jardim). Os astrônomos continuam monitorando a área central da galáxia em busca de explosões ou outras atividades. Embora o monstro no centro da galáxia não esteja perto o suficiente de nós para representar qualquer perigo, ainda queremos ficar de olho nele.
ANDREA GHEZ
Amante de quebra-cabeças, Andrea Ghez está perseguindo um dos maiores mistérios da astronomia: que entidade estranha se esconde no centro da nossa Via Láctea? Quando criança morando em Chicago durante o final dos anos 1960, Andrea Ghez (Figura\(\PageIndex{5}\)) ficou fascinada com os desembarques da Apollo na Lua. Mas ela também se sentia atraída pelo balé e por resolver todos os tipos de quebra-cabeças. No ensino médio, ela havia perdido o bicho do balé em favor de competir no hóquei em campo, tocar flauta e se aprofundar nos estudos. Seus anos de graduação no MIT foram pontuados por uma série de mudanças em sua especialização — de matemática a química, engenharia mecânica, engenharia aeroespacial e, finalmente, física — onde ela sentiu que suas opções estavam mais abertas. Como estudante de física, ela se envolveu em pesquisas astronômicas sob a orientação de um de seus instrutores. Depois de fazer algumas observações reais no Observatório Nacional Kitt Peak, no Arizona, e mais tarde no Observatório Interamericano Cerro Tololo, no Chile, Ghez encontrou sua vocação.
Continuando seus estudos de pós-graduação na Caltech, ela continuou com a física, mas orientou seus esforços para a astrofísica observacional, uma área onde a Caltech tinha acesso a instalações de ponta. Embora inicialmente atraída por estudar os buracos negros suspeitos de residir na maioria das galáxias massivas, Ghez acabou passando a maior parte de seus estudos de pós-graduação e, posteriormente, pesquisas de pós-doutorado na Universidade do Arizona estudando estrelas em formação. Ao obter imagens de altíssima resolução (detalhadas) de regiões onde novas estrelas nascem, ela descobriu que a maioria das estrelas se forma como membros de sistemas binários. À medida que as tecnologias avançavam, ela foi capaz de rastrear as órbitas dançadas por esses pares estelares e, assim, determinar suas respectivas massas.
Agora professor de astronomia na UCLA, Ghez desde então usou técnicas de imagem de alta resolução semelhantes para estudar as órbitas das estrelas no núcleo mais interno da Via Láctea. Essas órbitas levam anos para serem delineadas, então Ghez e sua equipe científica registraram mais de 20 anos obtendo imagens infravermelhas de super-resolução com os telescópios gigantes Keck no Havaí. Com base nas órbitas estelares resultantes, o Grupo de Centros Galácticos da UCLA se estabeleceu (como vimos) em uma solução gravitacional que requer a presença de um buraco negro supermassivo com uma massa equivalente a 4,6 milhões de sóis — todos aninhados em um espaço menor do que o ocupado pelo nosso sistema solar. As conquistas de Ghez foram reconhecidas com um dos prêmios “geniais” concedidos pela Fundação MacArthur. Mais recentemente, sua equipe descobriu nuvens brilhantes de gás ionizado quente que coorbitam com as estrelas, mas podem ser mais vulneráveis aos efeitos disruptivos do buraco negro central. Ao monitorar essas nuvens, a equipe espera entender melhor a evolução dos buracos negros supermassivos e seus arredores imediatos. Eles também esperam testar a teoria da relatividade geral de Einstein examinando cuidadosamente as órbitas das estrelas que se aproximam mais do buraco negro de gravitação intensa.
Além de seu trabalho pioneiro como astrônoma, Ghez compete como nadadora mestre, aproveita a vida familiar como mãe de dois filhos e incentiva ativamente outras mulheres a seguirem carreiras científicas.
Resumo
Um buraco negro supermassivo está localizado no centro da galáxia. Medições das velocidades das estrelas localizadas a poucos dias luz do centro mostram que a massa dentro de suas órbitas ao redor do centro é de cerca de 4,6 milhões\(M_{\text{Sun}}\). Observações de rádio mostram que essa massa está concentrada em um volume com diâmetro semelhante ao da órbita de Mercúrio. A densidade dessa concentração de matéria excede a dos aglomerados estelares mais densos conhecidos em um fator de quase um milhão. O único objeto conhecido com densidade e massa total tão altas é um buraco negro.
Glossário
- buraco negro supermassivo
- o objeto no centro da maioria das grandes galáxias que é tão massivo e compacto que a luz não consegue escapar dele; o buraco negro supermassivo da Via Láctea contém 4,6 milhões da massa do Sol