Identificados dois buracos negros supermassivos em rota de colisão

Uma equipa de astrónomos descobriu um par distante de buracos negros titânicos em rota de colisão. A massa de cada buraco negro é superior a 800 milhões de vezes a massa do nosso Sol.

À medida que os dois se aproximam gradualmente numa espiral da morte, vão começar a libertar ondas gravitacionais que ondulam através do espaço-tempo. Estas ondulações cósmicas vão juntar-se ao ruído de fundo, ainda não detetado, das ondas gravitacionais de outros buracos negros supermassivos. Mesmo antes da colisão, as ondas gravitacionais que emanam do par de buracos negros supermassivos superam aquelas anteriormente detetadas pelas fusões de buracos negros e estrelas de neutrões muito menores.

“As colisões entre galáxias gigantes criam alguns dos ambientes mais extremos que conhecemos e devem, teoricamente, culminar no encontro de dois buracos negros supermassivos, de modo que foi incrivelmente excitante encontrar um par de buracos negros imensamente energéticos, tão próximos um do outro, nas nossas imagens obtidas pelo Telescópio Espacial Hubble,” disse Andy Goudling, investigador de ciências astrofísicas da Universidade de Princeton, autor principal do artigo publicado no dia 10 de julho na revista The Astrophysical Journal Letters.

“Os binários compostos por buracos negros supermassivos produzem as ondas gravitacionais mais ‘barulhentas’ do Universo,” disse a codescobridora e coautora, Chiara Mingarelli, cientista do Centro de Astrofísica Computacional do Instituto Flatiron em Nova Iorque, EUA. As ondas gravitacionais de pares de buracos negros supermassivos “são um milhão de vezes mais fortes do que as detetadas pelo LIGO.”

“Quando estes buracos negros supermassivos se fundem, criam um buraco negro centenas de vezes maior do que o que se encontra no centro da nossa própria Galáxia,” comentou o estudante de Princeton, Kris Pardo, coautor do artigo.

Os dois buracos negros supermassivos são especialmente interessantes porque estão a cerca de 2,5 mil milhões de anos-luz da Terra. Dado que observar objetos distantes, em astronomia, é como olhar para trás no tempo, o par pertence a um Universo 2,5 mil milhões de anos mais jovem do que o nosso. Coincidentemente, é aproximadamente o mesmo tempo que os astrónomos estimam que os buracos negros devem levar para começar a produzir as poderosas ondas gravitacionais.

No Universo atual, os buracos negros já estão a emitir essas ondas gravitacionais, mas, mesmo à velocidade da luz, as ondas só cá chegarão daqui a milhares de milhões de anos. No entanto, o par ainda tem utilidade. A sua descoberta pode ajudar os cientistas a estimar quantos buracos negros supermassivos próximos estão a emitir ondas gravitacionais que podemos detetar agora.

A deteção do fundo de ondas gravitacionais ajudaria a responder algumas das maiores incógnitas da astronomia, como a frequência com que as galáxias se fundem e se os pares de buracos negros supermassivos sequer se fundem ou se ficam presos numa valsa quase infinita em torno um do outro.

“É um grande embaraço para astronomia, não sabermos se os buracos negros supermassivos se fundem,” salientou Jenny Greene, professora de ciências astrofísicas em Princeton e coautora do artigo. “Para todos os que trabalham na física de buracos negros, observacionalmente, este é um enigma de longa data que precisamos de resolver.”

Os buracos negros supermassivos podem conter milhões ou até milhares de milhões de vezes a massa do nosso Sol. Quase todas as galáxias, incluindo a nossa própria Via Láctea, contêm pelo menos um destes gigantes no seu núcleo. Quando as galáxias se fundem, os seus buracos negros supermassivos encontram-se e começam a orbitar-se um ao outro. Com o tempo, esta órbita fica mais pequena enquanto o gás e as estrelas passam entre os buracos negros e roubam energia.

No entanto, assim que os buracos negros supermassivos se aproximam demais, este roubo energético praticamente pára. Algumas teorias sugerem que ficam a mais ou menos 1 parsec (aproximadamente 3,2 anos-luz). Esta desaceleração dura quase indefinidamente e é conhecida como o “problema do parsec final”. Neste cenário, apenas grupos muito raros de três ou mais buracos negros supermassivos resultam em fusões.

Os astrónomos não podem apenas procurar pares estagnados, porque muito antes dos buracos negros ficarem separados por 1 parsec, já estão demasiado perto um do outro para os distinguirmos como dois objetos separados. Além disso, só produzem ondas gravitacionais fortes quando superarem o obstáculo final do último parsec e ficarem ainda mais íntimos (observados como eram há 2,5 mil milhões de anos, os recém-descobertos buracos negros supermassivos estão separados por cerca de 430 parsecs).

Se o problema do parsec final não for, na realidade, um problema, então os astrónomos esperam que o Universo esteja repleto com o clamor de ondas gravitacionais de pares de buracos negros supermassivos no processo de fusão. “Este ruído é chamado de fundo de ondas gravitacionais e é um pouco como um coro caótico de grilos que cantam à noite,” comentou Goulding. “Não conseguimos discernir um grilo do outro, mas o volume do barulho ajuda a estimar quantos grilos existem.”

Não será fácil “ouvir” a colisão

Se dois buracos negros supermassivos colidirem e se combinarem, o evento enviará um trovão estrondoso que diminuirá o coro de fundo – mas “ouvi-lo” não será tarefa fácil.

As ondas gravitacionais reveladoras geradas pela fusão de buracos negros supermassivos estão fora das frequências observáveis atualmente por experiências como o LIGO e Virgo, que já detetaram as fusões muito mais pequenas entre buracos negros e estrelas de neutrões. Os cientistas que caçam ondas gravitacionais maiores, como originárias de colisões entre buracos negros supermassivos, dependem de conjuntos de estrelas especiais chamadas pulsares que agem como metrónomos, enviando ondas de rádio num ritmo constante. Se uma onda gravitacional passageira esticar ou comprimir o espaço entre a Terra e o pulsar, o ritmo ficará ligeiramente diferente.

A deteção do fundo de ondas gravitacionais, usando um destes pulsares, requer paciência e uma abundância de estrelas monitorizadas. O ritmo de um único pulsar pode ser perturbado por apenas algumas centenas de nanossegundos ao longo de uma década. Quanto mais alto for o ruído de fundo, maiores serão as perturbações de temporização e mais rápida será a deteção.

Goulding, Greene e os outros astrónomos observacionais da equipa detetaram os dois titãs com o Telescópio Espacial Hubble. Embora os buracos negros supermassivos não sejam diretamente visíveis através de um telescópio ótico como o Hubble, são rodeados por aglomerados brilhantes de estrelas luminosas e gás quente atraídos pelo poderoso puxão gravitacional. Para o seu tempo na história, a galáxia que abriga o recém-descoberto par de buracos negros supermassivos “é basicamente a galáxia mais luminosa do Universo”.

Além disso, o núcleo da galáxia está a lançar duas plumas de gás extraordinariamente colossais. Quando apontaram o Hubble a fim de descobrir as origens das suas espetaculares nuvens de gás, os investigadores descobriram que o sistema não continha um, mas dois buracos negros massivos.

Os astrónomos observacionais juntaram-se aos físicos de ondas gravitacionais, Mingarelli e Pardo, para interpretar a descoberta no contexto do fundo de ondas gravitacionais. A descoberta fornece um ponto de ancoragem para estimar quantas fusões de buracos negros supermassivos estão dentro da distância de deteção da Terra. As estimativas anteriores basearam-se em modelos computacionais da frequência de fusões galácticas, em vez de observações reais de pares de buracos negros supermassivos.

Com base nos dados, Pardo e Mingarelli previram que, num cenário otimista, existem cerca de 112 buracos negros supermassivos próximos a emitir ondas gravitacionais. A primeira deteção do fundo de ondas gravitacionais de fusões de buracos negros supermassivos deve, portanto, surgir dentro de cinco anos. Se essa deteção não for feita, poderá ser evidência de que o problema do parsec final é intransponível.

A equipa está atualmente a analisar outras galáxias parecidas àquela que abriga o novo binário composto por dois buracos negros supermassivos. A descoberta de pares adicionais ajudará os cientistas a aprimorar as suas previsões.

“Este é o primeiro exemplo encontrado de um par tão íntimo de buracos negros massivos, mas podem muito bem existir mais buracos negros supermassivos binários à espera de serem descobertos,” comentou o coautor e professor Michael Strauss, vice-presidente do Departamento de Ciências Astrofísicas de Princeton. “Quanto mais pudermos aprender sobre a população de buracos negros em fusão, melhor podemos entender o processo de formação das galáxias e a natureza do fundo de ondas gravitacionais.”

// CCVAlg

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