Por décadas, os astrônomos sabem que os buracos negros supermassivos (SMBHs) residem no centro das galáxias mais massivas. Esses buracos negros, que variam de centenas de milhares a bilhões de massas solares, exercem uma poderosa influência sobre a matéria circundante e acredita-se ser a causa dos Núcleos Galácticos Ativos (AGN). Desde que os astrônomos os conhecem, eles tentam entender como as SMBHs se formam e evoluem.
Em dois estudos recentemente publicados, duas equipes internacionais de pesquisadores relatam a descoberta de cinco pares de buracos negros recém-descobertos no centro de galáxias distantes. Essa descoberta pode ajudar os astrônomos a lançar uma nova luz sobre como as SMBHs se formam e crescem ao longo do tempo, sem mencionar como as fusões de buracos negros produzem as ondas gravitacionais mais fortes do Universo.
Os quatro primeiros candidatos a buraco negro duplo foram relatados em um estudo intitulado "AGNs enterrados em fusões avançadas: seleção de cores no infravermelho médio como localizador duplo de AGN", liderado por Shobita Satyapal, professora de astrofísica na Universidade George Mason. Este estudo foi aceito para publicação em The Astrophysical Journal e apareceu recentemente online.
O segundo estudo, que relatou o quinto candidato a buraco negro duplo, foi liderado por Sarah Ellison - professora de astrofísica da Universidade de Victoria. Foi publicado recentemente no Avisos mensais da Royal Astronomical Society sob o título "Descoberta de um núcleo galáctico ativo duplo com separação de ~ 8 kpc". A descoberta desses cinco pares de buracos negros foi muito fortuita, uma vez que os pares são uma descoberta muito rara.
Como Shobita Satyapal explicou em uma declaração à imprensa Chandra:
“Os astrônomos encontram buracos negros supermassivos em todo o universo. Mas mesmo que previmos que eles crescem rapidamente quando estão interagindo, é difícil encontrar buracos negros supermassivos duplos.“
Os pares de buracos negros foram descobertos combinando dados de vários instrumentos terrestres e espaciais. Isso incluiu dados ópticos do Sloan Digital Sky Survey (SDSS) e o Grande Telescópio Binocular (LBT) terrestre no Arizona, com dados de infravermelho próximo do Wide-Field Infrared Survey Explorer (WISE) e dados de raios-X do Chandra da NASA Observatório de raios-X.
Para o bem de seus estudos, Satyapal, Ellison e suas respectivas equipes procuraram detectar AGNs duplos, que se acredita serem uma conseqüência de fusões galácticas. Eles começaram consultando dados ópticos do SDSS para identificar galáxias que pareciam estar em processo de fusão. Os dados da pesquisa WISE total foram usados para identificar as galáxias que exibiam os AGNs mais poderosos.
Eles então consultaram dados do espectrômetro avançado de imagens CCD (ACIS) do Chandra e do LBT para identificar sete galáxias que pareciam estar em um estágio avançado de fusão. O estudo liderado por Ellison também se baseou em dados ópticos fornecidos pela pesquisa Mapping Nearby Galaxies no Apache Point Observatory (MaNGA) para identificar um dos novos pares de buracos negros.
A partir dos dados combinados, eles descobriram que cinco das sete galáxias em fusão hospedavam possíveis AGNs duplos, que foram separados por menos de 10 kiloparsecs (mais de 30.000 anos-luz). Isso foi evidenciado pelos dados infravermelhos fornecidos pelo WISE, que eram consistentes com o que é predicado por buracos negros supermassivos em rápido crescimento.
Além disso, os dados do Chandra mostraram pares separados de fontes de raios-x, o que também é consistente com os buracos negros que têm matéria lentamente sendo agregada a eles. Esses dados de raios-X e infravermelho também sugeriram que os buracos negros supermassivos estão enterrados em grandes quantidades de poeira e gás. Como Ellison indicou, essas descobertas foram o resultado de um trabalho meticuloso que consistia na classificação de vários comprimentos de onda dos dados:
“Nosso trabalho mostra que combinar a seleção por infravermelho com o acompanhamento de raios-X é uma maneira muito eficaz de encontrar esses pares de buracos negros. Raios-X e radiação infravermelha são capazes de penetrar nas nuvens obscuras de gás e poeira em torno desses pares de buracos negros, e a visão nítida de Chandra é necessária para separá-los ”.
Antes deste estudo, menos de dez pares de buracos negros em crescimento haviam sido confirmados com base em estudos de raios-X, e estes eram principalmente por acaso. Este trabalho mais recente, que detectou cinco pares de buracos negros usando dados combinados, foi, portanto, ao mesmo tempo afortunado e significativo. Além de reforçar a hipótese de que buracos negros supermassivos se formam a partir da fusão de buracos negros menores, esses estudos também têm sérias implicações para a pesquisa de ondas gravitacionais.
"É importante entender como são comuns os pares de buracos negros supermassivos, para ajudar a prever os sinais dos observatórios de ondas gravitacionais", disse Satyapa. “Com experimentos já realizados e futuros entrando em operação, é um momento emocionante para pesquisar a fusão de buracos negros. Estamos nos estágios iniciais de uma nova era na exploração do universo. ”
Desde 2016, um total de quatro instâncias de ondas gravitacionais foram detectadas por instrumentos como o Observatório de Ondas Gravitacionais com Interferômetro a Laser (LIGO) e o Observatório VIRGO. No entanto, essas detecções foram o resultado de fusões de buracos negros, onde os buracos negros eram todos menores e menos maciços - entre oito e 36 massas solares.
Os buracos negros supermassivos, por outro lado, são muito mais massivos e provavelmente produzirão uma assinatura gravitacional de ondas muito maior à medida que continuam se aproximando. E em algumas centenas de milhões de anos, quando esses pares se fundirem, a energia resultante produzida pela massa sendo convertida em ondas gravitacionais será incrível.
Atualmente, detectores como LIGO e Virgo não conseguem detectar as ondas gravitacionais criadas pelos pares supermassivos de buracos negros. Este trabalho está sendo realizado por matrizes como o Observatório Norte-Americano de Nanohertz para Ondas Gravitacionais (NANOGrav), que conta com pulsares de milissegundos de alta precisão para medir a influência das ondas gravitacionais no espaço-tempo.
Espera-se também que a Antena Espacial Espacial a Laser (LISA) proposta, que será o primeiro detector de ondas gravitacionais com base no espaço, também ajude na busca. Enquanto isso, a pesquisa de ondas gravitacionais já se beneficiou imensamente de esforços colaborativos como o que existe entre o Advanced LIGO e o Advanced Virgo.
No futuro, os cientistas também prevêem que serão capazes de estudar o interior das supernovas por meio de pesquisas sobre ondas gravitacionais. É provável que isso revele muito sobre os mecanismos por trás da formação de buracos negros. Entre todos esses esforços em andamento e desenvolvimentos futuros, podemos esperar "ouvir" muito mais do Universo e as forças mais poderosas trabalhando nele.
Não deixe de conferir esta animação que mostra como será a eventual fusão desses dois pares de buracos negros, cortesia do Chandra X-ray Observatory:
