Astrônomos descobriram um par distante de buracos negros titânicos em rota de colisão.
A massa de cada buraco negro é mais de 800 milhões de vezes superior à do nosso sol. À medida que os dois se aproximam gradualmente em uma espiral de morte, eles vão começar a enviar ondas gravitacionais ondulando através do espaço-tempo. Essas ondulações cósmicas irão juntar-se ao ruído de fundo ainda não detectado das ondas gravitacionais de outros buracos negros supermassivos. Mesmo antes da colisão destinada, as ondas gravitacionais que emanam do par de buracos negros supermassivos diminuirão as que foram previamente detectadas das fusões de buracos negros muito menores e de estrelas de nêutrons.
“As colisões entre galáxias enormes criam alguns dos ambientes mais extremos que conhecemos, e deveriam teoricamente culminar no encontro de dois buracos negros supermassivos, então foi incrivelmente emocionante encontrar um par de buracos negros tão enérgicos e tão próximos em nossas imagens do telescópio espacial Hubble”, disse Andy Goulding, um pesquisador associado em ciências astrofísicas de Princeton que é o autor principal de um artigo publicado em 10 de julho em Astrophysical Journal Letters.
“Os buraco negro supermassivos binários produzem as ondas gravitacionais mais altas do universo”, disse a co-descobridora e co-autora Chiara Mingarelli, cientista pesquisadora associada do Centro de Astrofísica Computacional do Instituto Flatiron, em Nova York. As ondas gravitacionais de pares de buracos negros supermassivos “são um milhão de vezes mais altas do que as detectadas pelo LIGO”.
“Quando esses buracos negros supermassivos se fundirem, eles criarão um buraco negro centenas de vezes maior do que o do centro da nossa própria galáxia”, disse o estudante de pós-graduação Kris Pardo, co-autor do artigo.
Os dois buracos negros supermassivos são especialmente interessantes porque estão a cerca de 2,5 bilhões de anos-luz de distância da Terra. Como olhar para objetos distantes na astronomia é como olhar para trás no tempo, o par pertence a um universo 2,5 bilhões de anos mais novo que o nosso. Coincidentemente, isso é aproximadamente a mesma quantidade de tempo que os astrônomos estimam que os buracos negros levarão para começar a produzir ondas gravitacionais poderosas.
No universo atual, os buracos negros já estão emitindo essas ondas gravitacionais, mas mesmo à velocidade da luz as ondas não nos alcançarão por bilhões de anos. No entanto, a dupla ainda é útil. Sua descoberta pode ajudar os cientistas a estimar quantos buracos negros supermassivos próximos estão emitindo ondas gravitacionais que poderíamos detectar agora mesmo.
Detectar o plano de fundo da onda gravitacional 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 se fundem, ou se eles ficam presos em uma valsa quase sem fim ao redor um do outro.
“É um grande embaraço para a astronomia que não saibamos se os buracos negros supermassivos se fundem”, disse Jenny Greene, professora de ciências astrofísicas em Princeton e co-autora do jornal. “Para todos na física de buracos negros, notavelmente este é um enigma de longa data que precisamos resolver.”
Os buracos negros supermassivos podem conter milhões ou mesmo milhares de milhões de sóis em massa. Quase todas as galáxias, incluindo a nossa própria Via Láctea, contêm pelo menos um desses gigantes em seu núcleo. Quando as galáxias se fundem, seus buracos negros supermassivos se encontram e começam a orbitar um ao outro. Com o passar do tempo, esta órbita se aperta à medida que o gás e as estrelas passam entre os buracos negros e roubam energia.
Uma vez que os buracos negros supermassivos se aproximam demais, no entanto, este roubo de energia praticamente para. Algumas teorias sugerem que eles param a cerca de 1 parsec de distância (aproximadamente 3,2 anos-luz). Esta desaceleração dura quase indefinidamente e é conhecida como o “problema final do parsec”. Neste cenário, apenas grupos muito raros de três ou mais buracos negros supermassivos resultam em fusões.
Os astrônomos não podem apenas procurar pares estagnados, porque muito antes dos buracos negros estarem separados por um parsec, eles estão muito próximos para distinguir dois objetos separados. Além disso, eles não produzem ondas gravitacionais fortes até que superem o obstáculo final do parsec e se aproximem. (Observados como estavam há 2,5 bilhões de anos atrás, os buracos negros supermassivos recém-descobertos aparecem a cerca de 430 parsecs de distância.)
Se o problema final do parsec não for um problema, então os astrônomos esperam que o Universo seja preenchido com o clamor de ondas gravitacionais de pares de buracos negros supermassivos no processo de fusão. “Esse ruído é chamado de fundo de onda gravitacional, e é um pouco como um coro caótico de grilos cantando à noite”, disse Goulding. “Você não pode discernir um grilo de outro, mas o volume do ruído ajuda você a estimar quantos grilos estão lá fora.”
Se dois buracos negros supermassivos colidirem e se combinarem, a colisão irá enviar um estrondoso “assobio” que irá diminuir o coro de fundo – mas não é tarefa fácil “ouvi-lo”.
As ondas gravitacionais avisadoras geradas pela fusão de buracos negros supermassivos estão fora das frequências atualmente observáveis por experimentos como LIGO e Virgo, que detectaram as fusões de buracos negros muito menores e de estrelas de nêutrons. Os cientistas que buscam as maiores ondas gravitacionais das colisões supermassivas do buraco negro dependem de matrizes de estrelas especiais chamadas pulsares, que agem como metrônomos, enviando ondas de rádio em um ritmo constante. Se uma onda gravitacional que passa estica ou comprime o espaço entre a Terra e o pulsar, o ritmo será ligeiramente desviado.
Detectar o plano de fundo da onda gravitacional usando uma dessas matrizes de tempo do pulsar requer paciência e abundância de estrelas monitoradas. O ritmo de um único pulsar pode ser interrompido por apenas algumas centenas de nanossegundos durante uma década. Quanto mais alto o ruído de fundo, maiores serão as interrupções de tempo e mais rápida será a detecção.
Goulding, Greene e os outros astrônomos observacionais da equipe detectaram os dois titãs com o Telescópio Espacial Hubble. Embora os buracos negros supermassivos não sejam diretamente visíveis através de um telescópio óptico como o Hubble, estão rodeados por brilhantes aglomerados de estrelas luminosas e gás quente atraído pelo poderoso puxão gravitacional. Por seu tempo na história, a galáxia que abriga o recém-descoberto par de buracos negros supermassivos “é basicamente a galáxia mais luminosa do universo”, disse Goulding. Além disso, o núcleo da galáxia está disparando duas nuvens de gás anormalmente colossais. Quando apontaram Hubble para ele para descobrir as origens de suas nuvens de gás espetaculares, os pesquisadores descobriram que o sistema continha não um, mas dois enormes buracos negros.
Os astrônomos observacionais então se uniram com os físicos de ondas gravitacionais Mingarelli e Pardo para interpretar a descoberta no contexto do fundo da onda gravitacional. A descoberta fornece um ponto de ancoragem para estimar quantos buracos negros supermassivos em fusão estão a uma distância de detecção da Terra. Estimativas anteriores se baseavam em modelos computacionais de quantas vezes as galáxias se fundem, em vez de observações reais de pares de buracos negros supermassivos.
Com base nos dados, Pardo e Mingarelli previram que, em um cenário otimista, existem cerca de 112 buracos negros supermassivos próximos que emitem ondas gravitacionais. A primeira detecção do plano de fundo da onda gravitacional de fusões supermassivas de buraco negro deve, portanto, ocorrer nos próximos cinco anos, aproximadamente. Se tal detecção não for feita, isso seria uma evidência de que o problema final do parsec pode ser intransponível. A equipe está atualmente olhando para outras galáxias semelhantes à que abriga o recém-descoberto buraco negro supermassivo binário. Encontrar pares adicionais irá ajudá-los a aprimorar ainda mais suas previsões.
“Este é o primeiro exemplo de um par próximo de buracos negros supermassivos que encontramos, mas pode muito bem haver buracos negros binários adicionais por descobrir”, disse o co-autor Professor Michael Strauss, presidente associado do Departamento de Ciências Astrofísicas de Princeton. “Quanto mais pudermos aprender sobre a população de buracos negros e fusão, melhor entenderemos o processo de formação de galáxias e a natureza do plano de fundo da onda gravitacional”.
FONTE / Princeton University / DOI: 10.3847/2041-8213/ab2a14
