Estrelas de movimento rápido recentemente identificadas no aglomerado estelar Omega Centauri fornecem evidências sólidas de um buraco negro central no aglomerado. Com pelo menos 8.200 massas solares, é o melhor candidato para uma classe de buracos negros que os astrônomos há muito acreditam existir: buracos negros de massa intermediária, formados nos estágios iniciais da evolução da galáxia.

A descoberta reforça o caso de Omega Centauri como a região central de uma galáxia que foi engolida pela Via Láctea bilhões de anos atrás. Despojado de suas estrelas externas, o núcleo dessa galáxia permaneceu "congelado no tempo" desde então. O estudo foi publicado no periódico Nature.

Omega Centauri é uma coleção espetacular de cerca de 10 milhões de estrelas, visível como uma mancha no céu noturno de latitudes do sul. Através de um pequeno telescópio, não parece diferente de outros chamados aglomerados globulares: uma coleção esférica de estrelas, tão densa em direção ao centro que se torna impossível distinguir estrelas individuais.

Mas agora um novo estudo, liderado por Maximilian Häberle (Instituto Max Planck de Astronomia), confirma o que os astrônomos já suspeitavam há algum tempo: Omega Centauri contém um buraco negro central.

O buraco negro parece ser o "elo perdido" entre seus parentes estelares e supermassivos: Preso em um estágio intermediário de evolução, ele é consideravelmente menos massivo do que buracos negros típicos nos centros de galáxias. Omega Centauri parece ser o núcleo de uma pequena galáxia separada cuja evolução foi interrompida quando a Via Láctea a engoliu.

Em astronomia, buracos negros vêm em diferentes faixas de massa. Buracos negros estelares, entre uma e algumas dezenas de massas solares, são bem conhecidos, assim como os buracos negros supermassivos com massas de milhões ou até bilhões de sóis.

Nossa imagem atual da evolução das galáxias sugere que as primeiras galáxias deveriam ter tido buracos negros centrais de tamanho intermediário, que teriam crescido ao longo do tempo conforme essas galáxias evoluíram, engolindo galáxias menores (como nossa Via Láctea fez) ou se fundindo com galáxias maiores.

Esses buracos negros de tamanho médio são notoriamente difíceis de encontrar. Galáxias como a nossa Via Láctea há muito superaram essa fase intermediária e agora contêm buracos negros centrais muito maiores.

Galáxias que permaneceram pequenas (" galáxias anãs ") são geralmente difíceis de observar. Com a tecnologia atualmente disponível, observações de suas regiões centrais que poderiam detectar o buraco negro central são extremamente desafiadoras. Embora existam candidatos promissores, não houve nenhuma detecção definitiva de um buraco negro de massa intermediária — até agora.

É aqui que Omega Centauri é especial. Se ela já foi o núcleo de uma galáxia separada, que então se fundiu com a Via Láctea e perdeu tudo, exceto seu lote central de estrelas no processo, o núcleo galáctico restante e seu buraco negro central seriam "congelados no tempo": não haveria mais fusões, e nenhuma maneira para o buraco negro central crescer.

O buraco negro seria preservado no tamanho que tinha quando Omega Centauri foi engolido pela Via Láctea, fornecendo um vislumbre do elo perdido entre os primeiros buracos negros de baixa massa e os buracos negros supermassivos posteriores.

Para testar essa hipótese, é necessário realmente detectar um buraco negro central em Omega Centauri, e uma detecção definitiva havia iludido os astrônomos até agora. Embora houvesse evidências de modelos em larga escala do movimento de estrelas no aglomerado, essas evidências deixavam espaço para dúvidas: talvez não houvesse nenhum buraco negro central.

Quando Nadine Neumayer, líder de grupo no Instituto Max Planck de Astronomia, e Anil Seth, da Universidade de Utah, elaboraram um projeto de pesquisa visando uma melhor compreensão da história da formação de Omega Centauri em 2019, eles perceberam que esta era uma oportunidade de resolver a questão do buraco negro central do aglomerado de uma vez por todas: se eles fossem capazes de identificar as estrelas de movimento rápido esperadas ao redor de um buraco negro no centro de Omega Centauri, essa seria a prova cabal, bem como uma maneira de medir a massa do buraco negro.

A árdua busca se tornou a tarefa de Maximilian Häberle, um aluno de doutorado no Instituto Max-Planck de Astronomia. Häberle liderou o trabalho de criação de um enorme catálogo para os movimentos das estrelas em Omega Centauri, medindo as velocidades de 1,4 milhão de estrelas estudando mais de 500 imagens do Hubble do aglomerado. A maioria dessas imagens foi produzida com o propósito de calibrar os instrumentos do Hubble, em vez de para uso científico. Mas com suas visões sempre repetidas de Omega Centauri, elas acabaram sendo o conjunto de dados ideal para os esforços de pesquisa da equipe.

Häberle diz: "Procurar estrelas de alta velocidade e documentar seus movimentos era a proverbial busca por uma agulha em um palheiro." Mas no final, Häberle não só tinha o catálogo mais completo do movimento das estrelas em Omega Centauri até então (publicado em um artigo separado). Ele também havia encontrado não uma, mas sete agulhas em seu palheiro de arquivo: sete estrelas reveladoras e de movimento rápido em uma pequena região no centro de Omega Centauri.

Essas estrelas que se movem rápido são rápidas por causa da presença de uma massa concentrada próxima. Para uma única estrela, seria impossível dizer se ela é rápida porque a massa central é grande ou porque a estrela está muito próxima da massa central — ou se a estrela está apenas voando em linha reta, sem massa à vista.

Mas sete dessas estrelas, com diferentes velocidades e direções de movimento, permitiram que Häberle e seus colegas separassem os diferentes efeitos e determinassem que há uma massa central em Omega Centauri, com uma massa de pelo menos 8.200 sóis. As imagens não indicam nenhum objeto visível na localização inferida dessa massa central, como seria de se esperar de um buraco negro.

A análise mais ampla não só permitiu que Häberle localizasse com precisão as velocidades de suas sete estrelas de alta velocidade. Também estreitou a localização de onde a região central, com três meses-luz de diâmetro (nas imagens, três segundos de arco), está localizada dentro de Omega Centauri.

Além disso, a análise forneceu garantia estatística: uma única estrela de alta velocidade na imagem pode nem pertencer a Omega Centauri. Pode ser uma estrela fora do aglomerado que passa logo atrás ou na frente do centro de Omega Centauri por acaso. As observações de sete dessas estrelas, por outro lado, não podem ser pura coincidência e não deixam espaço para explicações além de um buraco negro.

Neumayer diz: "Estudos anteriores haviam provocado perguntas críticas de 'Então, onde estão as estrelas de alta velocidade?' Agora temos uma resposta para isso e a confirmação de que Omega Centauri contém um buraco negro de massa intermediária. A uma distância de cerca de 18.000 anos-luz, este é o exemplo mais próximo conhecido de um buraco negro massivo."

O buraco negro supermassivo no centro da Via Láctea está a uma distância de cerca de 27.000 anos-luz. Esta detecção não só promete resolver o debate de uma década sobre um buraco negro de massa intermediária em Omega Centauri. Também fornece o melhor candidato até agora para a detecção de um buraco negro de massa intermediária em geral.

Dadas suas descobertas, Neumayer, Häberle e seus colegas agora planejam examinar o centro de Omega Centauri com ainda mais detalhes. Eles já têm aprovação para medir o movimento de alta velocidade da estrela em direção ou para longe da Terra (velocidade da linha de visão) usando o Telescópio Espacial James Webb, e há instrumentos futuros (GRAVITY+ no VLT do ESO, MICADO no Extremely Large Telescope) que poderiam apontar posições estelares com ainda mais precisão do que o Hubble.

O objetivo de longo prazo é determinar como as estrelas aceleram: como suas órbitas se curvam. Seguir essas estrelas uma vez em torno de sua órbita inteira, como nas observações ganhadoras do prêmio Nobel perto do buraco negro no centro da Via Láctea, é um projeto para futuras gerações de astrônomos, no entanto.

A massa menor do buraco negro de Omega Centauri significa escalas de tempo 10 vezes maiores do que as da Via Láctea: períodos orbitais de mais de cem anos.