Pesando os misteriosos buracos negros à espreita no coração das galáxias

Perto do centro da Via Láctea fica um imenso objeto que os astrônomos chamam de Sagitário A*. Este buraco negro "supermassivo" pode ter crescido em conjunto com a nossa galáxia, e não está sozinho. Os cientistas suspeitam que gigantes semelhantes se escondem no coração de quase todas as grandes galáxias do cosmos.

Um buraco negro supermassivo emite um jato de partículas energéticas nesta ilustração. Crédito: NASA/JPL-Caltech 

Alguns podem ficar muito grandes, disse Joseph Simon, pesquisador de pós-doutorado no Departamento de Ciências Astrofísicas e Planetárias da Boulder.

"O buraco negro no centro da nossa galáxia tem milhões de vezes a massa do Sol, mas também vemos outros que achamos que são bilhões de vezes a massa do Sol", disse ele.

O astrofísico dedicou sua carreira a estudar o comportamento desses objetos difíceis de observar. Em um estudo recente, ele empregou simulações de computador, ou "modelos", para prever as massas dos maiores buracos negros supermassivos do universo – um conceito matemático conhecido como função de massa de buraco negro.

Em outras palavras, Simon procurou determinar o que você poderia encontrar se pudesse colocar cada um desses buracos negros um a um em uma escala gigantesca?

Seus cálculos sugerem que, bilhões de anos atrás, os buracos negros podem ter sido muito maiores, em média, do que os cientistas suspeitavam. As descobertas podem ajudar os pesquisadores a desvendar um mistério ainda maior, elucidando as forças que moldaram objetos como Sagitário A* à medida que cresciam de pequenos buracos negros para os gigantes que são hoje.

"Estamos começando a ver de uma variedade de fontes diferentes que houve coisas muito massivas no universo desde muito cedo", disse Simon.

Ele publicou suas descobertas em 30 de maio no The Astrophysical Journal Letters.

Em 2022, os cientistas do EHT (Event Horizon Telescope) obtiveram a primeira imagem de Sagitário A*, o buraco negro no centro da Via Láctea. Crédito: Colaboração EHT

Sinfonia galáctica

Para Simon, essas "coisas muito grandes" são seu pão com manteiga.

O astrofísico faz parte de um segundo esforço de pesquisa chamado Observatório Norte-Americano de Ondas Gravitacionais Nanohertz (NANOGrav). Por meio do projeto, Simon e centenas de outros cientistas nos EUA e Canadá passaram 15 anos procurando por um fenômeno conhecido como "fundo de onda gravitacional". O conceito refere-se ao fluxo constante de ondas gravitacionais, ou ondulações gigantes no espaço e no tempo, que ondulam através do universo em uma base quase constante.

Essa agitação cósmica também deve suas origens a buracos negros supermassivos. Simon explicou que, se duas galáxias se chocarem no espaço, seus buracos negros centrais também podem colidir e até se fundir. Eles giram em torno um do outro antes de bater juntos como dois pratos em uma orquestra – só que essa queda de prato gera ondas gravitacionais, literalmente deformando o tecido do universo.

Para entender o fundo das ondas gravitacionais, no entanto, os cientistas primeiro precisam saber quão massivos são os buracos negros supermassivos do universo. Pratos maiores, disse Simon, fazem um estrondo maior e produzem ondas gravitacionais muito maiores.

Há apenas um problema:

"Temos medições muito boas para as massas dos buracos negros supermassivos para nossa própria galáxia e para galáxias próximas", disse ele. "Não temos esses mesmos tipos de medições para galáxias mais distantes. Só temos que adivinhar."

Buracos negros em ascensão

Em sua nova pesquisa, Simon decidiu adivinhar de uma maneira totalmente nova.

Primeiro, ele reuniu informações sobre centenas de milhares de galáxias, algumas com bilhões de anos. (A luz só pode viajar tão rápido, então quando os humanos observam galáxias que estão mais longe, eles estão olhando para trás no tempo). Simon usou essa informação para calcular as massas aproximadas dos buracos negros para as maiores galáxias do universo. Ele então empregou modelos de computador para simular o fundo de onda gravitacional que essas galáxias podem criar e que atualmente lava a Terra.

Os resultados de Simon revelam a quantidade completa de massas de buracos negros supermassivos no universo que datam de aproximadamente 4 bilhões de anos. Ele também notou algo estranho: parecia haver muito mais galáxias grandes espalhadas pelo universo bilhões de anos atrás do que alguns estudos anteriores previam. Isso não fazia muito sentido.

"Havia a expectativa de que você só veria esses sistemas realmente massivos no universo próximo", disse Simon. "Leva tempo para os buracos negros crescerem."

Sua pesquisa, no entanto, se soma a um crescente corpo de evidências sugerindo que eles podem não precisar de tanto tempo quanto os astrofísicos acreditavam. A equipe do NANOGrav, por exemplo, viu indícios semelhantes de buracos negros gigantes escondidos no universo bilhões de anos atrás.

Por enquanto, Simon espera explorar toda a gama de buracos negros que se estendem ainda mais no tempo – revelando pistas sobre como a Via Láctea e, eventualmente, nosso próprio sistema solar surgiram.

"Entender as massas dos buracos negros é fundamental para algumas dessas questões fundamentais, como o fundo das ondas gravitacionais, mas também como as galáxias crescem e como nosso universo evoluiu", disse Simon.

Fonte: Universidade da Califórnia em Boulder