Primeira detecção de buraco negro supermassivo secundário em um sistema binário bem conhecido

Uma equipe internacional de astrônomos observou o segundo dos dois buracos negros supermassivos circulando um ao outro em uma galáxia ativa, JO 287.

Buracos negros supermassivos que pesam vários bilhões de vezes a massa do nosso Sol estão presentes nos centros das galáxias ativas. Os astrônomos os observam como núcleos galácticos brilhantes, onde o buraco negro supermassivo da galáxia devora matéria de um violento redemoinho chamado disco de acreção. Parte do assunto é espremido em um jato poderoso. Esse processo faz com que o núcleo galáctico brilhe intensamente em todo o espectro eletromagnético.

Ilustração artística do OJ287 como um sistema binário de buracos negros. O buraco negro secundário de 150 milhões de massas solares se move em torno do buraco negro primário de 18 bilhões de massas solares. Um disco de gás rodeia este último. O buraco negro secundário é forçado a impactar o disco de acreção duas vezes durante sua órbita de 12 anos. O impacto produz um flash azul que foi detectado em fevereiro de 2022. Além disso, o impacto também induz o buraco negro secundário a explosões brilhantes de radiação várias semanas antes, e essas explosões também foram detectadas como um sinal direto do buraco negro secundário. Crédito: AAS 2018 

Em um estudo recente, astrônomos encontraram evidências de dois buracos negros supermassivos circulando um ao outro por meio de sinais vindos dos jatos associados à acreção de matéria em ambos os buracos negros. A galáxia, ou quasar, como é tecnicamente chamada, é chamada de OJ287 e é mais bem estudada e melhor entendida como um sistema binário de buracos negros. No céu, os buracos negros estão tão próximos uns dos outros que se fundem em um ponto. O fato de que o ponto na verdade consiste em dois buracos negros torna-se aparente ao detectar que ele emite dois tipos diferentes de sinais. 

A galáxia ativa OJ 287 fica na direção da constelação de Câncer a uma distância de cerca de 5 bilhões de anos-luz e tem sido observada por astrônomos desde 1888. Já há mais de 40 anos, o astrônomo da Universidade de Turku Aimo Sillanpää e seus associados notaram que há um padrão proeminente em sua emissão que tem dois ciclos, um de cerca de 12 anos e o mais longo de cerca de 55 anos. Eles sugeriram que os dois ciclos resultam do movimento orbital de dois buracos negros um ao redor do outro. O ciclo mais curto é o ciclo orbital e o mais longo resulta de uma evolução lenta da orientação da órbita. 

O movimento orbital é revelado por uma série de explosões que surgem quando o buraco negro secundário mergulha regularmente através do disco de acreção do buraco negro primário a velocidades que são uma fração mais lentas do que a velocidade da luz. Esse mergulho do buraco negro secundário aquece o material do disco e o gás quente é liberado como bolhas em expansão. Essas bolhas quentes levam meses para esfriar enquanto irradiam e causam um flash de luz – uma explosão – que dura aproximadamente quinze dias e é mais brilhante do que um trilhão de estrelas. 

Depois de décadas de esforços para estimar o tempo do mergulho do buraco negro secundário através do disco de acreção, astrônomos da Universidade de Turku, na Finlândia, liderados por Mauri Valtonen e seu colaborador Achamveedu Gopakumar, do Instituto Tata de Pesquisa Fundamental em Mumbai, Índia, e outros foram capazes de modelar a órbita e prever com precisão quando essas explosões ocorreriam. 

Campanhas observacionais bem-sucedidas em 1983, 1994, 1995, 2005, 2007, 2015 e 2019 permitiram à equipe observar as explosões previstas e confirmar a presença de um par de buracos negros supermassivos no JO 287. 

"O número total de surtos previstos agora é de 26, e quase todos eles foram observados. O buraco negro maior deste par pesa mais de 18 bilhões de vezes a massa do nosso Sol, enquanto o companheiro é cerca de 100 vezes mais leve e sua órbita é oblonga, não circular", diz o professor Achamveedu Gopakumar. 

Apesar desses esforços, os astrônomos não conseguiram observar um sinal direto do buraco negro menor. Antes de 2021, sua existência havia sido deduzida apenas indiretamente das explosões e da maneira como faz o jato do buraco negro maior oscilar. 

"Os dois buracos negros estão tão próximos um do outro no céu que não se pode vê-los separadamente, eles se fundem em um único ponto em nossos telescópios. Somente se virmos sinais claramente separados de cada buraco negro podemos dizer que realmente "vimos" os dois", diz o autor principal, professor Mauri Valtonen. 

Buraco negro menor observado diretamente pela primeira vez

As campanhas observacionais em 2021/2022 no JO 287 usando um grande número de telescópios de vários tipos permitiram aos pesquisadores obter observações do buraco negro secundário mergulhando pelo disco de acreção pela primeira vez, e os sinais decorrentes do próprio buraco negro menor. 

"O período em 2021/2022 teve um significado especial no estudo do OJ287. Anteriormente, havia sido previsto que, durante esse período, o buraco negro secundário mergulharia através do disco de acreção de sua companheira mais massiva. Esperava-se que esse mergulho produzisse um clarão muito azul logo após o impacto, e de fato foi observado, poucos dias após o tempo previsto, por Martin Jelinek e associados da Universidade Técnica Tcheca e do Instituto Astronômico da República Tcheca", diz o professor Mauri Valtonen. 

No entanto, houve duas grandes surpresas – novos tipos de surtos que não haviam sido detectados antes. O primeiro deles foi visto apenas por uma campanha de observação detalhada por Staszek Zola, da Universidade Jaguelônica de Cracóvia, Polônia, e por um bom motivo. Zola e sua equipe observaram uma grande explosão, produzindo 100 vezes mais luz do que uma galáxia inteira, e durou apenas um dia. 

De acordo com as estimativas, a explosão ocorreu logo após o buraco negro menor ter recebido uma dose maciça de novo gás para engolir durante seu mergulho. É o processo de deglutição que leva ao brilho súbito do OJ287. Pensa-se que este processo tenha potenciado o jato que dispara do buraco negro mais pequeno do JO 287. Um evento como esse era previsto há dez anos, mas não foi confirmado até agora", explica Valtonen. 

O segundo sinal inesperado veio dos raios gama e foi observado pelo telescópio Fermi, da Nasa. A maior explosão de raios gama no OJ287 em seis anos aconteceu justamente quando o buraco negro menor mergulhou através do disco de gás do buraco negro primário. O jato do buraco negro menor interage com o gás do disco, e essa interação leva à produção de raios gama. Para confirmar essa ideia, os pesquisadores verificaram que uma explosão semelhante de raios gama já havia ocorrido em 2013, quando o pequeno buraco negro caiu através do disco de gás pela última vez, visto da mesma direção de visão. 

"E a explosão de um dia, por que não a vimos antes? O OJ287 tem sido registado em fotografias desde 1888 e tem sido intensamente seguido desde 1970. Acontece que simplesmente tivemos azar. Ninguém observou o OJ287 exatamente naquelas noites em que ele fez sua manobra de uma noite. E sem o monitoramento intenso do grupo de Zola, teríamos perdido dessa vez também", afirma Valtonen. 

Esses esforços fazem do JO 287 o melhor candidato para um par de buracos negros supermassivos que está enviando ondas gravitacionais em frequências nano-hertz. Além disso, o JO 287 está sendo monitorado rotineiramente pelo Event Horizon Telescope (EHT) e pelos consórcios Global mm-VLBI Array (GMVA) para sondar evidências adicionais da presença de um par de buracos negros supermassivos em seu centro e, em particular, para tentar obter a imagem de rádio do jato secundário. 

Fonte: Universidade de Turku