Os buracos negros são os objetos mais extremos do universo. Versões supermassivas desses objetos inimaginavelmente densos provavelmente residem nos centros de todas as grandes galáxias. Buracos negros de massa estelar – que pesam aproximadamente cinco a 100 vezes a massa do Sol – são muito mais comuns, com cerca de 100 milhões apenas na Via Láctea.

No entanto, apenas um punhado foi confirmado até o momento, e quase todos eles são "ativos" - o que significa que brilham intensamente em raios-X enquanto consomem material de um companheiro estelar próximo, ao contrário de buracos negros adormecidos que não o fazem.

Astrônomos usando o telescópio Gemini North no Havaí, um dos telescópios gêmeos do Observatório Internacional Gemini, operado pelo NOIRLab da NSF, descobriram o buraco negro mais próximo da Terra, que os pesquisadores apelidaram de Gaia BH1. Este buraco negro adormecido pesa cerca de 10 vezes a massa do Sol e está localizado a cerca de 1.600 anos-luz de distância na constelação de Ophiuchus, tornando-o três vezes mais próximo da Terra do que o recordista anterior, um binário de raios-X na constelação de Monoceros .

A nova descoberta foi possível graças a observações requintadas do movimento da companheira do buraco negro, uma estrela parecida com o Sol que orbita o buraco negro aproximadamente à mesma distância que a Terra orbita o Sol.

"Pegue o sistema solar , coloque um buraco negro onde está o sol e o sol onde está a Terra, e você obtém esse sistema", explicou Kareem El-Badry, astrofísico do Centro de Astrofísica | Harvard & Smithsonian e o Instituto Max Planck de Astronomia, e o principal autor do artigo que descreve esta descoberta.

"Embora tenha havido muitas detecções reivindicadas de sistemas como este, quase todas essas descobertas foram posteriormente refutadas. Esta é a primeira detecção inequívoca de uma estrela parecida com o Sol em uma órbita ampla em torno de um buraco negro de massa estelar em nossa galáxia."

Embora existam provavelmente milhões de buracos negros de massa estelar vagando pela Via Láctea, aqueles poucos que foram detectados foram descobertos por suas interações energéticas com uma estrela companheira . À medida que o material de uma estrela próxima espirala em direção ao buraco negro, ele fica superaquecido e gera poderosos raios-X e jatos de material. Se um buraco negro não está se alimentando ativamente (isto é, está adormecido), ele simplesmente se mistura com seus arredores.

"Eu tenho procurado buracos negros adormecidos nos últimos quatro anos usando uma ampla gama de conjuntos de dados e métodos", disse El-Badry. "Minhas tentativas anteriores - assim como as de outros - resultaram em uma variedade de sistemas binários que se disfarçam de buracos negros, mas esta é a primeira vez que a pesquisa deu frutos."

A equipe originalmente identificou o sistema como potencialmente hospedando um buraco negro analisando dados da espaçonave Gaia da Agência Espacial Europria. Gaia capturou as pequenas irregularidades no movimento da estrela causadas pela gravidade de um objeto massivo invisível. Para explorar o sistema com mais detalhes, El-Badry e sua equipe recorreram ao instrumento Gemini Multi-Object Spectrograph em Gemini North, que mediu a velocidade da estrela companheira enquanto orbitava o buraco negro e forneceu uma medição precisa de seu período orbital.

As observações de acompanhamento do Gemini foram cruciais para restringir o movimento orbital e, portanto, as massas dos dois componentes do sistema binário, permitindo que a equipe identificasse o corpo central como um buraco negro com cerca de 10 vezes a massa do nosso sol.

“Nossas observações de acompanhamento do Gemini confirmaram, sem sombra de dúvida, que o binário contém uma estrela normal e pelo menos um buraco negro adormecido”, elaborou El-Badry. "Não conseguimos encontrar nenhum cenário astrofísico plausível que possa explicar a órbita observada do sistema que não envolve pelo menos um buraco negro."

A equipe confiou não apenas nas excelentes capacidades de observação da Gemini North, mas também na capacidade da Gemini de fornecer dados em um prazo apertado, pois a equipe tinha apenas uma janela curta para realizar suas observações de acompanhamento.

"Quando tivemos as primeiras indicações de que o sistema continha um buraco negro, tínhamos apenas uma semana antes que os dois objetos estivessem na separação mais próxima em suas órbitas. As medições neste ponto são essenciais para fazer estimativas de massa precisas em um sistema binário," disse El-Badry. "A capacidade da Gemini de fornecer observações rápidas foi fundamental para o sucesso do projeto. Se tivéssemos perdido essa janela estreita, teríamos que esperar mais um ano."

Os modelos atuais dos astrônomos da evolução dos sistemas binários são pressionados a explicar como a configuração peculiar do sistema Gaia BH1 poderia ter surgido. Especificamente, a estrela progenitora que mais tarde se transformou no buraco negro recém-detectado teria pelo menos 20 vezes a massa do nosso sol.

Isso significa que teria vivido apenas alguns milhões de anos. Se ambas as estrelas se formassem ao mesmo tempo, essa estrela massiva teria rapidamente se transformado em uma supergigante, inchando e engolindo a outra estrela antes que tivesse tempo de se tornar uma estrela de sequência principal adequada, queimando hidrogênio, como o nosso sol.

Não está claro como a estrela de massa solar poderia ter sobrevivido a esse episódio, terminando como uma estrela aparentemente normal, como indicam as observações do binário do buraco negro. Todos os modelos teóricos que permitem a sobrevivência preveem que a estrela de massa solar deveria ter terminado em uma órbita muito mais estreita do que o que é realmente observado.

Isso pode indicar que existem lacunas importantes em nossa compreensão de como os buracos negros se formam e evoluem em sistemas binários, e também sugere a existência de uma população ainda inexplorada de buracos negros adormecidos em binários.

"É interessante que este sistema não seja facilmente acomodado por modelos padrão de evolução binária", concluiu El-Badry. "Isso levanta muitas questões sobre como esse sistema binário foi formado, bem como quantos desses buracos negros adormecidos existem por aí."

"Como parte de uma rede de observatórios espaciais e terrestres, Gemini North não apenas forneceu fortes evidências para o buraco negro mais próximo até hoje, mas também o primeiro sistema de buraco negro intocado, organizado pelo gás quente usual interagindo com o buraco negro. ", disse o oficial do programa NSF Gemini, Martin Still.

“Embora isso potencialmente augura futuras descobertas da população prevista de buracos negros adormecidos em nossa galáxia, as observações também deixam um mistério a ser resolvido – apesar de uma história compartilhada com seu vizinho exótico, por que a estrela companheira neste sistema binário é tão normal?”