Acredita-se que buracos negros supermassivos estejam presentes no centro de quase todas as grandes galáxias. Estes corpos massivos podem pesar milhões ou milhares de milhões de vezes o peso do Sol, mas os cientistas ainda não compreendem completamente como atingem tamanhos tão extraordinários. Extrair (coletar) gás de seu entorno é uma forma de obter sua massa, embora esse processo por si só possa ser lento demais para explicar os exemplos maiores. As fusões com outros buracos negros massivos podem fornecer a explicação que falta.
Colisões de galáxias são comuns em todo o universo, tornando possível que os seus buracos negros centrais também possam eventualmente se unir. À medida que duas galáxias se fundem, espera-se que se aproximem do buraco negro, comecem a orbitar uma à outra e espiralem lentamente para dentro até se combinarem num único objeto.
Apesar desta expectativa, os cientistas ainda lutam para modelar as fases finais destas fusões. O que é ainda mais surpreendente é que, apesar da abundante evidência de colisão de galáxias, os astrónomos não identificaram de forma fiável um par de buracos negros supermassivos orbitando extremamente próximos um do outro.
Um segundo jato revela um buraco negro escondido
Uma equipa de investigação internacional liderada por Silke Britzen do Instituto Max Planck de Radioastronomia (MPIFR) em Bona descobriu agora evidências observacionais diretas de que tal par existe no centro da galáxia Mister 501. As descobertas foram aceites para publicação. Avisos mensais da Royal Astronomical Society e estão programados para aparecer em uma próxima edição.
Os astrónomos sabem há muito tempo que o buraco negro central do Mister 501 gera um jato intenso de partículas que se move para o espaço quase à velocidade da luz. Estes jatos surgem das condições extremas que rodeiam o buraco negro, onde poderosos campos magnéticos ajudam a acelerar a saída de material.
Para investigar o sistema, os pesquisadores examinaram observações detalhadas de rádio coletadas em múltiplas frequências em dezenas de dias diferentes ao longo de quase 23 anos. O extenso conjunto de dados revelou algo notável: junto com o jato familiar, havia um segundo jato cujo movimento também podia ser rastreado.
Os investigadores fornecem observações descritas como a primeira evidência de imagem direta de tal sistema no centro da galáxia, sugerindo fortemente a existência de um segundo buraco negro supermassivo. No entanto, os próprios buracos negros vivem tão próximos uns dos outros no céu que não podem ser resolvidos individualmente.
Silke Britzen relata: “Nós procuramos por ele por muito tempo, e então foi uma surpresa completa que pudemos não apenas ver o segundo jato, mas também rastrear seu movimento”.
Dois buracos negros supermassivos em uma dança cósmica
O jato anteriormente conhecido está direcionado para a Terra, fazendo com que pareça excepcionalmente brilhante e relativamente fácil de observar. O jato recém-identificado aponta em uma direção diferente, o que ajuda a explicar por que permaneceu oculto por tanto tempo.
Ao longo de apenas algumas semanas de observações, os astrónomos notaram mudanças dramáticas na posição do segundo jacto. Parece emergir de trás do buraco negro maior e girar em torno dele no sentido anti-horário. O movimento foi repetido, mostrando que todo o sistema estava em movimento orbital regular.
Silke Britzen explica: “Avaliar os dados é como estar em uma nave. Todo o sistema de jato está em movimento. Um sistema de dois buracos negros pode explicar isso: o plano orbital gira.”
Os pesquisadores também identificaram um evento incomum em junho de 2022, quando a radiação do sistema pareceu formar um anel. Este fenômeno, conhecido como anel de Einstein, ocorre quando a gravidade curva a luz para que ela se pareça com um anel.
Uma explicação possível é que os dois buracos negros e a Terra estiveram brevemente alinhados perfeitamente. Nessa configuração, a gravidade do buraco negro em primeiro plano poderia agir como uma lente, desviando a luz do segundo jato atrás dele. Este efeito, denominado lente gravitacional, fornece outra pista possível sobre a natureza do sistema.
Dois buracos negros poderão fundir-se em apenas 100 anos
Ao examinar padrões repetidos nas mudanças nos jatos e no seu brilho, a equipe calculou que os dois buracos negros parecem completar uma órbita um em torno do outro aproximadamente a cada 121 dias.
A sua separação estimada é de apenas 250 a 540 vezes a distância entre a Terra e o Sol. Embora possa parecer enorme, é notavelmente pequeno para objetos com massas que variam entre 100 milhões e mil milhões de vezes a do nosso Sol.
Uma aula tão dura pode ter consequências dramáticas. Dependendo da massa real dos buracos negros, a sua separação pode diminuir tão rapidamente que a sua fusão pode ocorrer em apenas 100 anos.
Esta será uma contagem decrescente excepcionalmente curta para os padrões astronómicos, dando potencialmente aos investigadores uma oportunidade extraordinária de investigar como é que os buracos negros supermassivos atingem a sua colisão final.
Ondas gravitacionais podem revelar fusão iminente
Infelizmente, o Mister 501 está tão longe que mesmo os instrumentos mais poderosos de hoje não conseguem distinguir os dois buracos negros como objetos separados. O Event Horizon Telescope (EHT), que produziu as primeiras imagens dos buracos negros em 2019 e 2022, também carece da resolução necessária para capturar este par específico individualmente.
Como resultado, os astrônomos não serão capazes de observar diretamente a diminuição da distância entre os buracos negros. No entanto, outro método pode revelar a sua perspectiva.
À medida que objetos massivos orbitam uns aos outros, eles geram ondas gravitacionais, pequenas distorções no espaço-tempo que viajam através do universo. O par de buracos negros proposto no Mister 501 deve produzir ondas gravitacionais de frequência extremamente baixa que podem ser detectadas usando um Pulsar Timing Array (PTA).
Essas matrizes usam pulsos de rádio notavelmente regulares emitidos por estrelas de nêutrons em rotação rápida, conhecidas como pulsares, como relógios cósmicos precisos. Ao medir as mudanças subtis que ocorrem à medida que essas ondas atingem a Terra, os cientistas podem descobrir os efeitos da passagem das ondas gravitacionais.
Os binários de buracos negros supermassivos (SMBHBs) já são considerados a principal explicação para a onda gravitacional de fundo, um sinal persistente que se acredita ter origem em muitas fontes distantes em todo o universo. Em 2023, o European Pulsar Timing Array e outras colaborações de investigação relataram evidências deste contexto.
A descoberta do Mister 501 torna agora a galáxia um alvo particularmente promissor para ligar sinais de ondas gravitacionais a um par individual de buracos negros supermassivos.
Tal identificação pode fazer mais do que confirmar a existência do sistema. Isto poderia permitir aos cientistas medir como a órbita do par evolui e determinar se os buracos negros estão se aproximando da sua fusão final.
“Se forem detectadas ondas gravitacionais, poderemos ver a sua frequência aumentar continuamente à medida que os dois gigantes se movem em direcção à colisão, proporcionando uma rara oportunidade de observar uma fusão de buracos negros supermassivos,” diz o co-autor Hector Olivares.
