A cintilação brilhante de uma galáxia acabou sendo dois buracos negros dançando na noite

Os astrônomos nunca viram um par de buracos negros como este – mas o universo pode estar cheio deles.

Cientistas encontraram um grande buraco negro que "soluça", emitindo plumas de gás. A análise revelou que um pequeno buraco negro estava perfurando repetidamente o disco de gás do buraco negro maior, fazendo com que as plumas se soltassem. Poderosos campos magnéticos, ao norte e ao sul do buraco negro e representados pelo cone laranja, estilingues para cima e para fora do disco. Cada vez que o buraco negro menor perfura o disco, ele ejeta outra pluma, em um padrão regular e periódico. 

Apenas alguns anos atrás, em uma galáxia a 848 milhões de anos-luz de distância, astrônomos testemunharam algo estranho acontecer.

O buraco negro supermassivo (SMBH) no centro desta galáxia estava se movimentando muito bem, devorando constantemente a matéria que caía nele. Mas em dezembro de 2020, a galáxia de repente explodiu enquanto se banqueteava em uma estrela rebelde e se tornou 1.000 vezes mais brilhante - apenas para desenvolver uma cintilação estranha e constante. Durante quatro meses, até que a explosão finalmente desaparecesse, a galáxia diminuiu ligeiramente a cada 8,3 dias - um comportamento nunca antes visto em uma explosão SMBH.

E depois de alguma investigação forense, os astrónomos pensam que sabem porquê: este buraco negro supermassivo tem um buraco negro companheiro menor a rodeá-lo, levantando poeira sempre que passa.

Em um artigo publicado em 27 de março na Science Advances, uma equipe liderada pelo MIT relatou a estranha sequência de eventos.

Este sistema binário de buracos negros é o primeiro conhecido a conter um SMBH e um buraco negro de massa intermediária (IMBH). Acredita-se que os IMBHs sejam comuns no universo, mas se mostraram difíceis de encontrar - a primeira detecção direta de um IMBH só foi feita em 2020. Os pesquisadores esperam que esse comportamento cintilante seja uma assinatura que possa levar à descoberta de muitos mais sistemas binários com IMBHs.

A descoberta também abala nosso pensamento sobre como é o ambiente no centro de uma galáxia. Em vez de um simples disco de matéria ao redor do buraco negro central, girando constantemente em seu horizonte de eventos, os centros das galáxias poderiam hospedar vários buracos negros de diferentes tamanhos, levando a um comportamento alimentar mais complexo.

Um clarão na noite

A explosão inicial provavelmente foi causada pelo buraco negro supermassivo se despedaçando e se desprendendo de uma estrela que vagou muito perto dela - o que os astrônomos chamam de evento de ruptura de maré. Batizado de ASASSN-20qc, ele foi identificado pelo All-Sky Automated Survey for Supernovae, uma rede global de telescópios que procura flashes brilhantes no céu todas as noites. Depois que o ASASSN-20qc foi visto pela primeira vez pela rede em dezembro de 2020, os astrônomos treinaram uma variedade de telescópios espaciais no objeto. (Grandes explosões ou eventos energéticos normalmente brilham mais intensamente nos raios X, que não podem ser observados do solo.)

"Quando eu olhei com raio-X [...] Eu estava tipo, 'OK, legal, você sabe, qualquer detecção de raios-X', mas quando olhei mais de perto, o que descobrimos foi, há algum sinal interessante dentro do espectro de raios-X que parecia estar mostrando essas modulações regulares se repetindo a cada 8,3 dias", diz Dheeraj R. Pasham, pesquisador do MIT e principal autor do artigo.

Depois de reunir um fluxo de dados, a equipe analisou vários cenários. Estes incluíram uma mudança na forma como o disco interno gira, matéria aglomerada caindo no buraco negro, ou luz sendo refletida de maneiras estranhas pelo material na região.

Mas nenhum desses cenários que a equipe considerou poderia criar o tipo de cintilação vista no ASASSN-20qc. Foi quando a equipe percebeu o provável culpado: um segundo buraco negro.

Enquanto o buraco negro principal e maior tem milhões de vezes a massa do Sol, este buraco negro de tamanho intermediário tem apenas centenas ou milhares de vezes a massa do Sol. À medida que o IMBH orbitava o buraco negro maior, ele passava pelo disco de acreção circundante e expelia alguma poeira que bloqueava nossa visão dele, fazendo com que ele escurecesse (provavelmente roubou um pouco da placa do SMBH no processo).

Pasham diz que, enquanto procurava possíveis culpados ao reduzir os dados, eles se depararam com um artigo de um grupo de astrônomos tchecos propondo um cenário teórico como este, onde "há um buraco negro supermassivo com um disco de acreção e, em seguida, o objeto secundário que está circulando", diz Pasham. "Toda vez que ele passa, você deve ver esse tipo de característica de absorção durante cada ciclo ou saída."

Ele se alinhava perfeitamente com o que a equipe havia observado, então a equipe de Pasham e os autores tchecos - após várias reuniões e algumas simulações - descobriram que os tipos de recursos vistos aqui só poderiam ser causados por um IMBH. 

Mais por vir

O IMBH provavelmente está em seus últimos dias, astrofisicamente falando. Ele acabará se fundindo com o buraco negro central dentro de dezenas de milhares ou milhões de anos, dependendo da massa do buraco negro. (Como esses objetos são tão distantes, é difícil determinar o quão massivos eles são.)

Mas a equipe acha que esses sistemas são comuns, e eles já encontraram outra dúzia de eventos candidatos com características semelhantes. Atualmente, eles estão trabalhando na observação desses objetos a partir do solo e com telescópios espaciais de raios-X.

A luz não é a única maneira de estudar esses sistemas. Como esses objetos continuarão a se aproximar uns dos outros até se fundirem, eles produzirão ondas gravitacionais – ondulações no tecido do espaço-tempo causadas por eventos poderosos.

Fusões de grandes buracos negros produzem ondas gravitacionais que são muito longas para a tecnologia atual detectar. Instalações terrestres como o Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) só podem detectar fusões de estrelas com massas que variam de algumas a algumas dezenas de vezes a massa do Sol.

Mas a missão Laser Interferometer Space Antenna (LISA) da ESA deve ser capaz de detectar essas ondas gravitacionais do espaço, diz Pasham, permitindo aos astrônomos uma visão do que acontece quando enormes buracos negros se fundem.

"Para um dos sistemas, prevemos que ele possa ser detectável com o LISA em 2037", diz Pasham.

Fonte: Astronomy.com