Astrônomos usando o Observatório Internacional Gemini descobriram o buraco negro conhecido mais próximo da Terra. É também a primeira descoberta inequívoca de um buraco negro adormecido na Via Láctea. Sua proximidade com a Terra, a apenas 1.600 anos-luz de distância, fornece um alvo interessante de estudo para avançar nossa compreensão da evolução dos sistemas binários. Crédito: Observatório Internacional Gemini / NOIRLab / NSF / AURA / J. da Silva / Spaceengine / M. Zamani
O Telescópio Gemini North no Havaí revela o primeiro aglomerado estelar adormecido[{” attribute=””>black hole in our cosmic backyard.
Using the International Gemini Observatory, astronomers have discovered the closest-known black hole to Earth. This is the first unambiguous detection of a dormant stellar-mass black hole in the Milky Way. Located a mere 1600 light-years away, its close proximity to Earth offers an intriguing target of study to advance our understanding of the evolution of binary systems.
“Take the Solar System, put a black hole where the Sun is, and the Sun where the Earth is, and you get this system.” — Kareem El-Badry
Black holes are the most extreme objects in the Universe. It is believed that supermassive versions of these unimaginably dense objects reside at the centers of all large galaxies. Stellar-mass black holes — which weigh approximately five to 100 times the mass of the Sun — are much more common. In fact, there are an estimated 100 million stellar-mass black holes in the Milky Way alone. However, only a handful have been confirmed to date, and nearly all of these are ‘active’. This means that they shine brightly in X-rays as they consume material from a nearby stellar companion, unlike dormant black holes which do not.
Astronomers have now discovered the closest black hole to Earth, which the researchers have dubbed Gaia BH1. To find it, they used the Gemini North telescope in Hawai‘i, one of the twin telescopes of the International Gemini Observatory, operated by NSF’s NOIRLab.
Gaia BH1 is a dormant black hole that is about 10 times more massive than the Sun and is located about 1600 light-years away in the constellation Ophiuchus. This means it is three times closer to Earth than the previous record holder, an X-ray binary in the constellation of Monoceros. The new discovery was made possible by making exquisite observations of the motion of the black hole’s companion, a Sun-like star that orbits the black hole at about the same distance as the Earth orbits the Sun.
Esta animação mostra uma estrela parecida com o Sol orbitando Gaia BH1, o buraco negro mais próximo da Terra, localizado a cerca de 1.600 anos-luz de distância. As observações do Gemini North, um dos telescópios gêmeos do Observatório Internacional Gemini, operado pelo NOIRLab da NSF, foram cruciais para restringir o movimento orbital e, portanto, as massas dos dois componentes do sistema binário, permitindo à equipe identificar o objeto central como um buraco negro com cerca de 10 vezes a massa do nosso Sol. Crédito: T. Müller (MPIA), PanSTARRS DR1 (KC Chambers et al. 2016), ESA/Gaia/DPAC
“Pegue o sistema solar, coloque um buraco negro onde está o sol, e o sol está onde está a Terra, e você terá esse sistema”, explica Karim El-Badri, astrofísico do Centro Astrofísico. Harvard, Smithsonian e Max Planck Institute for Astronomy, e principal autor do artigo que descreve esta descoberta, publicado em 2 de novembro em Avisos mensais da Royal Astronomical Society.
Embora tenha havido muitas descobertas alegadas de tais sistemas, quase todas essas descobertas foram posteriormente refutadas. Esta é a primeira descoberta inequívoca de uma estrela parecida com o Sol em uma ampla órbita em torno de um buraco negro de massa estelar em nossa galáxia.”
Embora existam milhões de buracos negros de massa estelar vagando pela Via Láctea, muito poucos foram descobertos através de suas interações ativas com uma estrela companheira. À medida que o material de uma estrela próxima gira na direção do buraco negro, torna-se extremamente quente e gera poderosos raios-X e jatos de material. Se um buraco negro não está se alimentando ativamente (ou seja, está adormecido), ele simplesmente se funde com o ambiente.
“Eu tenho procurado buracos negros adormecidos nos últimos quatro anos usando uma ampla gama de conjuntos de dados e métodos”, disse Al-Badri. “Minhas tentativas anteriores – assim como as de outros – deram origem a uma série de sistemas binários disfarçados de buracos negros, mas esta é a primeira vez que a pesquisa se concretiza.”
“Embora isso potencialmente preveja futuras descobertas do esperado aglomerado de buracos negros adormecidos da nossa galáxia, as observações também deixam um mistério a ser resolvido – apesar da história compartilhada com seu vizinho alienígena, por que uma estrela companheira neste sistema binário é tão normal?” – Martin Steel
A equipe originalmente identificou o sistema como potencialmente hospedando um buraco negro analisando dados de Agência Espacial Europeianave espacial Gaia. Gaia capturou as pequenas irregularidades no movimento da estrela causadas pela gravidade de um objeto massivo e invisível. Para explorar o sistema com mais detalhes, Al-Badri 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 do período de sua órbita. . As observações de acompanhamento de Gemini foram cruciais para restringir o movimento orbital e, portanto, as massas dos dois componentes do sistema binário, permitindo que a equipe identificasse o objeto central como um buraco negro com cerca de 10 vezes a massa do nosso sol.
Al-Badri explicou que “nossas observações do acompanhamento de Gêmeos confirmaram, sem sombra de dúvida, que o binário contém uma estrela comum e pelo menos um buraco negro adormecido”. “Não conseguimos encontrar um cenário astrofísico plausível que pudesse explicar a órbita observada de um sistema que não inclui pelo menos um buraco negro.”
A equipe confiou não apenas nas impressionantes capacidades de monitoramento da Gemini North, mas também na capacidade da Gemini de fornecer dados em um prazo apertado, já que a equipe tinha pouco tempo para fazer 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 em sua separação orbital mais próxima. As medições neste ponto são necessárias para fazer estimativas precisas de massa em um sistema binário”, Al -Badri disse. “A capacidade da Gemini de fornecer feedback em uma escala de tempo curta foi fundamental para o sucesso do projeto. Se perdêssemos essa janela estreita, teríamos que esperar mais um ano.”
É difícil pressionar os modelos atuais dos astrônomos sobre a evolução dos sistemas binários para explicar como surgiu a formação peculiar de Gaia BH1. Especificamente, a estrela progenitora que mais tarde se transformou no buraco negro recém-descoberto tinha pelo menos vinte vezes a massa do nosso sol. Isso significa que ela teria vivido apenas alguns milhões de anos. Se ambas as estrelas se formassem ao mesmo tempo, essa estrela massiva se transformaria rapidamente em uma supergigante, inflando e engolindo a outra estrela antes que tivesse tempo de se tornar uma estrela da sequência principal adequada, queimando hidrogênio, como o nosso Sol.
Não está claro como uma estrela de massa solar poderia sobreviver a esse anel e acabar como uma estrela aparentemente normal, como sugerem as observações de um buraco negro binário. Todos os modelos teóricos que permitem a sobrevivência prevêem que a estrela de massa solar deveria ter terminado em uma órbita mais estreita do que é realmente observado.
Isso pode indicar lacunas importantes em nossa compreensão de como os buracos negros se formam e evoluem em sistemas binários, bem como sugerir a existência de um grupo ainda inexplorado de buracos negros adormecidos em binários.
“Curiosamente, este sistema não pode ser facilmente adaptado por modelos padrão de evolução binária”, concluiu Al-Badri. “Isso levanta muitas questões sobre como esse sistema binário se formou, bem como quantos buracos negros à espreita existem”.
“Como parte de uma rede de observatórios espaciais e terrestres, o Gemini North não apenas forneceu fortes evidências do buraco negro mais próximo até hoje, mas também forneceu o primeiro sistema original de buracos negros, organizado no gás quente usual interagindo com um buraco negro. buraco”, disse Martin Steele, oficial do Programa Gemini para a Fundação NSF. “Embora isso potencialmente preveja futuras descobertas do esperado aglomerado de buracos negros adormecidos da nossa galáxia, as observações também deixam um mistério a ser resolvido – apesar da história compartilhada com seu vizinho alienígena, por que uma estrela companheira neste sistema binário é tão normal?”
Referência: “Sun-like star orbiting a black hole” de Karim Badri, Hans Walter Rex, Elliot Quatert, Andrew W. Howard, Howard Isaacson, Jim Fuller, Keith Hawkins, Katelyn Breivik, Kazi WK Wong, Antonio C. Rodriguez, Charlie Conroy, Glamour Shahav, Tsvi Mazeh, Frédéric Arino, Kevin B Berdge, Dolev Bachi, Simchon Weigler, Daniel R. Weisz, Reiss Seiberger, Silvia Almada Münter e Jennifer Wuino, 2 de novembro de 2022, Avisos mensais da Royal Astronomical Society. DOI: 10.1093/mnras/stac3140
As notas do Gemini North foram conduzidas como parte do Programa de Tempo Estimado do Diretor (ID do Programa: GN-2022B-DD-202).
O Observatório Internacional Gemini é operado por uma parceria de seis países, incluindo os Estados Unidos através da National Science Foundation, Canadá através do National Research Council of Canada, Chile através da Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo, Brasil através do Ministério da Ciência e Tecnologia. e Inovações, Argentina por meio do Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación, e Coréia por meio do Instituto Coreano de Astronomia e Ciências Espaciais. Esses participantes e a Universidade do Havaí, que tem acesso regular ao Gemini, mantêm um “Escritório Nacional Gemini” para apoiar os usuários locais.
O tunelamento quântico permite que as partículas contornem as barreiras de energia. Foi proposta uma nova maneira de medir o tempo que as partículas levam para tunelar, o que pode desafiar afirmações anteriores sobre velocidades de tunelamento ultraleves. Este método envolve o uso de átomos como relógios para detectar diferenças horárias mínimas. Crédito: SciTechDaily.com
Num fenômeno surpreendente da física quântica conhecido como tunelamento, as partículas parecem se mover mais rápido que a velocidade da luz. No entanto, os físicos de Darmstadt acreditam que o tempo gasto pelas partículas no túnel foi medido incorretamente até agora. Eles propõem uma nova maneira de parar a velocidade das partículas quânticas.
Na física clássica existem leis estritas que não podem ser contornadas. Por exemplo, se uma bola rolante não tiver energia suficiente, ela não será capaz de subir a colina; Em vez disso, irá cair antes de atingir o pico. Na física quântica, este princípio não é totalmente estrito. Aqui, uma partícula pode atravessar uma barreira, mesmo que não tenha energia suficiente para atravessá-la. Ele se comporta como se estivesse deslizando por um túnel, razão pela qual esse fenômeno também é conhecido como “tunelamento quântico”. Longe de ser apenas uma mágica teórica, esse fenômeno tem aplicações práticas, como na operação de drives de memória flash.
Tunelamento quântico e relatividade
No passado, experiências com partículas mais rápidas que a luz atraíram alguma atenção. Afinal, a teoria da relatividade de Einstein proíbe velocidades mais rápidas que a da luz. A questão é, portanto, se o tempo necessário para o tunelamento foi devidamente “pausado” nesses experimentos. Os físicos Patrick Schach e Eno Giese, da Universidade de Darmstadt, seguem uma nova abordagem para determinar o “tempo” de uma partícula em túnel. Eles propuseram agora uma nova maneira de medir esse tempo. Em seu experimento, eles mediram isso de uma forma que acreditam ser mais adequada para a natureza quântica do tunelamento. Eles publicaram seu projeto de experimento na famosa revista Avanço da ciência.
Dualidade onda-partícula e tunelamento quântico
De acordo com a física quântica, pequenas partículas como átomos ou partículas de luz têm uma natureza dupla.
Dependendo do experimento, eles se comportam como partículas ou como ondas. O tunelamento quântico destaca a natureza ondulatória das partículas. Um “pacote de ondas” rola em direção à barreira, semelhante ao fluxo de água. A altura da onda indica a probabilidade de uma partícula se materializar naquele local se sua posição fosse medida. Se um pacote de ondas atingir uma barreira de energia, parte dele será refletido. Porém, uma pequena porção penetra na barreira e existe uma pequena possibilidade de que a partícula apareça do outro lado da barreira.
Reavaliação da velocidade do túnel
Experimentos anteriores observaram que uma partícula de luz percorreu uma distância maior após o tunelamento do que uma partícula que tinha um caminho livre. Portanto, teria viajado mais rápido que a luz. No entanto, os pesquisadores tiveram que determinar a localização da partícula depois que ela passou. Eles escolheram o ponto mais alto do pacote de ondas.
“Mas a partícula não segue uma trajetória no sentido clássico”, objeta Eno Giese. É impossível determinar exatamente onde uma partícula estava em um determinado momento. Isto torna difícil fazer declarações sobre o tempo necessário para ir de A a B.
Uma nova abordagem para medir o tempo de tunelamento
Por outro lado, Shash Brief é guiado por uma citação de Albert Einstein: “Tempo é o que você lê no relógio”. Eles propõem usar a própria partícula do túnel como um relógio. A segunda partícula não gasta atua como referência. Ao comparar esses dois relógios naturais, é possível determinar se o tempo passa mais devagar, mais rápido ou na mesma velocidade durante o tunelamento quântico.
A natureza ondulatória das partículas facilita esta abordagem. A oscilação das ondas é como a oscilação de um relógio. Especificamente, Schach e Giese propõem o uso de átomos como relógios. Os níveis de energia dos átomos oscilam em certas frequências. Depois de abordar A milho Com um pulso de laser, seus níveis inicialmente oscilam de forma síncrona – o relógio atômico é iniciado. Durante o túnel, o ritmo muda ligeiramente. Um segundo pulso de laser faz com que as duas ondas internas do átomo se sobreponham. A detecção de interferência torna possível medir a distância entre duas ondas de nível de energia, o que por sua vez é uma medição precisa do tempo decorrido.
Já o segundo átomo, que não é tunelado, serve de referência para medir a diferença de tempo entre cavar túneis e não cavar túneis. Os cálculos dos físicos sugerem que a partícula do túnel aparecerá um pouco mais tarde. “O relógio que foi escavado no túnel é um pouco mais antigo que o outro relógio”, diz Patrick Schach. Isto parece contradizer experiências que atribuíram a velocidade da luz à construção de túneis.
O desafio de implementar o experimento
Em princípio, o teste poderia ser feito usando a tecnologia atual, diz Schach, mas representa um enorme desafio para os experimentos. Isso ocorre porque a diferença de tempo a ser medida é de apenas cerca de 10-26 Segundos – um tempo muito curto. O físico explica que ajuda usar nuvens de átomos como relógios em vez de átomos individuais. Também é possível amplificar o efeito, por exemplo, aumentando artificialmente as frequências do clock.
“Atualmente estamos discutindo essa ideia com nossos colegas experimentais e em contato com nossos parceiros de projeto”, acrescenta Gizzi. É muito provável que a equipe decida em breve realizar este experimento emocionante.
Referência: “Teoria unificada dos tempos dos túneis promovida pelos relógios Ramsey” por Patrick Schach e Eno Giese, 19 de abril de 2024, Avanço da ciência. doi: 10.1126/sciadv.adl6078
Mais Zoom/ A torre Starship da SpaceX (à esquerda) no Complexo de Lançamento 39A supera a plataforma de lançamento do foguete Falcon 9 (à direita).
Há duas maneiras de ler o anúncio da FAA de que iniciará uma nova revisão ambiental do plano da SpaceX de lançar o foguete mais poderoso do mundo a partir da Flórida.
A Administração Federal de Aviação disse em 10 de maio que planeja desenvolver uma declaração de impacto ambiental (EIS) para a proposta da SpaceX de lançar naves estelares do Centro Espacial Kennedy da NASA, na Flórida. A FAA ordenou a revisão depois que a SpaceX informou a agência reguladora sobre a taxa de lançamento esperada da espaçonave e o projeto da infraestrutura terrestre necessária no Complexo de Lançamento 39A (LC-39A), a plataforma de lançamento histórica anteriormente usada para as missões Apollo e do ônibus espacial. .
Avaliações ambientais duplas
Enquanto isso, a Força Espacial dos EUA está supervisionando um sistema eletrônico de informação semelhante à proposta da SpaceX de assumir a plataforma de lançamento na Estação da Força Espacial de Cabo Canaveral, alguns quilômetros ao sul do LC-39A. Essa plataforma de lançamento, chamada Space Launch Complex 37 (SLC-37), tornou-se disponível para uso depois que o último foguete Delta da United Launch Alliance foi lançado lá em abril.
Por um lado, estes As revisões ambientais geralmente levam algum tempo Isso poderia eclipsar a meta de Elon Musk de ter locais de lançamento de espaçonaves na Flórida prontos para serviço até o final de 2025. “Alguns anos não seriam uma surpresa”, disse George Nield, consultor da indústria aeroespacial e ex-chefe do Escritório do Administração da Aviação Federal. Transporte espacial comercial.
Outra forma de analisar os recentes anúncios da FAA e da Força Espacial relativamente às revisões ambientais pendentes é que a SpaceX parece finalmente estar a solidificar os seus planos para lançar naves espaciais a partir da Florida. Esses planos mudaram pouco nos últimos cinco anos.
As revisões ambientais culminarão em uma decisão sobre a aprovação das propostas da SpaceX para o lançamento da Starship no LC-39A e SLC-37. A FAA passará então por um processo de licenciamento separado, semelhante à estrutura usada para autorizar os três primeiros lançamentos de teste da Starship no sul do Texas.
A NASA tem contratos com a SpaceX no valor de mais de US$ 4 bilhões para desenvolver uma versão humana da Starship para pousar astronautas na Lua para o primeiro de dois pousos lunares Artemis no final desta década. Para fazer isso, a SpaceX deve criar um depósito de combustível na órbita baixa da Terra para reabastecer o módulo lunar da nave estelar antes de seguir para a Lua. Serão necessários uma série de voos de navios-tanque da Starship – talvez de 10 a 15 voos – para encher o depósito com combustível criogênico.
O lançamento de tantas espaçonaves ao longo de um ou dois meses exigiria que a SpaceX girasse entre pelo menos duas plataformas de lançamento. Funcionários da NASA e da SpaceX dizem que a melhor maneira de fazer isso é lançar naves estelares de uma plataforma no Texas e outra na Flórida.
No início desta semana, Ars conversou com Lisa Watson Morgan, que dirige o programa de pouso lunar da NASA. Ela esteve no Centro Espacial Kennedy esta semana para instruções sobre o módulo de pouso Starship e um módulo de pouso concorrente da Blue Origin. Um dos tópicos foi uma nova revisão ambiental conduzida pela Administração Federal de Aviação (FAA) antes que a espaçonave pudesse ser lançada do LC-39A, disse ela.
“Eu diria que estamos fazendo tudo o que podemos para levar o cronograma até onde ele precisa estar, e estamos trabalhando com a SpaceX para garantir que seu cronograma, o cronograma EIS e a NASA funcionem em paralelo, tanto quanto possível, para atingir nossos objetivos”, disse ela. “Quando você coloca isso no papel como está, parece que pode haver alguns pontos difíceis, mas eu diria que estamos trabalhando coletivamente nisso.”
Oficialmente, a SpaceX planeja realizar um ensaio de pouso lunar para a espaçonave no final de 2025. Esta será uma demonstração completa, com missões de abastecimento, um pouso não tripulado da espaçonave na superfície lunar e, em seguida, uma decolagem da Lua, antes que a NASA se comprometa. para colocar pessoas a bordo da espaçonave na missão Artemis III, atualmente programada para setembro de 2026.
Portanto, você pode ver que os prazos já estão apertados para a demonstração do pouso da Starship na Lua se a SpaceX ativar suas plataformas de lançamento na Flórida no final do próximo ano.
Os mecanismos detalhados de como a matéria cai num buraco negro vinda de fora do horizonte de eventos foram revelados num novo artigo de investigação.
Tal como previsto pela teoria da gravidade de Einstein, chega um ponto em que a matéria deixa de orbitar o buraco negro e cai diretamente para baixo, precipitando-se rapidamente para além do ponto sem retorno.
Agora, com dados de raios X de um buraco negro ativo, finalmente vimos evidências da existência desta “zona de subducção”.
“A teoria de Einstein previu esta queda recente, mas esta é a primeira vez que conseguimos provar que isso aconteceu.” diz o físico teórico Andrew Mummery Da Universidade de Oxford, no Reino Unido.
“Pense nisso como um rio se transformando em uma cachoeira – até agora, estivemos olhando para o rio. Esta é a nossa primeira visão de uma cachoeira.”
A matéria que entra em um buraco negro não segue uma linha reta. Ele gira, como água rodopiante, subindo inexoravelmente pelo ralo. Esta não é uma analogia inútil: a comparação é adequada, uma vez que os cientistas usam águas turbulentas para estudar os ambientes que rodeiam os buracos negros.
Estudar os próprios buracos negros é um pouco difícil, porque o espaço-tempo distorcido ao seu redor é muito extremo.
Mas há décadas, o trabalho teórico de Albert Einstein previu que a matéria, a uma certa distância de um buraco negro, já não seria capaz de seguir uma órbita circular estável e cairia a direito – como a água pela borda desse mesmo ralo.
Não há razão para acreditar que este não seja o caso – a matéria tem de cruzar o horizonte de eventos de alguma forma, e a teoria da gravidade de Einstein resistiu a um escrutínio geral – mas o que os astrofísicos não têm certeza é se o faremos ou não. capaz de detectá-lo.
O trabalho de Mummery e seus colegas teve múltiplas partes. Um desses experimentos foi desenvolver simulações e modelos numéricos que visualizam a área submersa para revelar que tipo de luz ela emite. Em seguida, precisavam de evidências observacionais contendo as mesmas emissões na zona baixa.
O buraco negro em questão foi encontrado num sistema a cerca de 10.000 anos-luz de distância, chamado MAXI J1820+070. Este sistema contém um buraco negro com uma massa de cerca de 8,5 vezes a massa do Sol – e uma estrela companheira binária, da qual o buraco negro retira material à medida que os dois objetos giram, alimentando-se em rajadas. Aparece como um flash de raios X.
Os astrónomos têm monitorizado este buraco negro para compreender melhor o seu comportamento, para que os investigadores tenham acesso a dados de alta qualidade obtidos através de raios-X. Nustar E O mais bonito Instrumentos em órbita baixa da Terra. Eles se concentraram em particular na explosão ocorrida em 2018.
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Estudos anteriores indicaram que existe um brilho adicional detectado nas observações desta explosão completamente inexplicável.
a Estudo 2020 Ele especulou que este brilho poderia ter origem na órbita circular mais interna, a zona de mergulho. Mummery e os seus colegas estudaram este brilho com especial cuidado e descobriram que correspondia à emissão que derivaram das suas simulações.
Os investigadores dizem que isto finalmente confirma a existência da região que afunda, sem sombra de dúvida, dando-nos uma nova sonda do intenso sistema gravitacional na região fora do horizonte de eventos do buraco negro.
“O que é realmente emocionante é que existem muitos buracos negros na galáxia, e agora temos uma nova e poderosa técnica para estudar os campos gravitacionais mais fortes conhecidos.” Mamãe diz.
“Acreditamos que isto representa um novo e excitante desenvolvimento no estudo dos buracos negros, permitindo-nos estudar esta região final que os rodeia.
Só então poderemos compreender completamente a força da gravidade. “Esta gota final de plasma ocorre na borda do buraco negro e mostra a resposta da matéria à gravidade no seu nível mais forte possível.”
