Usando pequenos buracos negros para detectar grandes buracos negros

Uma equipe internacional de astrofísicos com a participação da Universidade de Zurique propõe um novo método para detectar pares dos maiores buracos negros encontrados nos centros de galáxias, analisando ondas gravitacionais geradas por binários de pequenos buracos negros estelares próximos. A pesquisa foi publicada no periódico Nature Astronomy . 

 O método proposto neste trabalho. A presença de um SMBHB emitindo GWs causa modulações de frequência na emissão de GW de uma fonte binária compacta a uma distância d. As modulações podem ser observadas durante um longo tempo de observação T com detectores decihertz de GW propostos, a uma distância D ≫ d. Mostramos como esse cenário permitiria que detectores decihertz sondassem indiretamente a existência de SMBHBs dentro da faixa de massa de ~10 7 –10 9  M ⊙ . Crédito: Nature Astronomy (2024). DOI: 10.1038/s41550-024-02338-0

A origem dos buracos negros supermassivos encontrados nos centros das galáxias ainda é um dos maiores mistérios da astronomia. Eles podem ter sido sempre massivos e se formado quando o universo ainda era muito jovem. Alternativamente, eles podem ter crescido ao longo do tempo ao agregar matéria e outros buracos negros. Quando um buraco negro supermassivo está prestes a comer outro buraco negro massivo, isso emitirá ondas gravitacionais, que são ondulações no espaço-tempo que se propagam pelo universo.

O desafio de detectar buracos negros massivos

Ondas gravitacionais foram detectadas recentemente, mas apenas de pequenos buracos negros que são os restos de estrelas. Detectar os sinais de pares individuais de grandes buracos negros ainda é impossível, porque os detectores atuais não são sensíveis às frequências muito baixas de ondas gravitacionais que eles emitem. Detectores futuros planejados, como a missão espacial LISA liderada pela ESA, remediarão isso parcialmente, mas detectar os pares de buracos negros mais massivos ainda estará fora de questão.

Use altas frequências para medir frequências mais baixas

Uma equipe internacional de astrofísicos liderada por ex-alunos da Universidade de Zurique propõe uma nova ideia e um método inovador para detectar pares dos maiores buracos negros encontrados nos centros de galáxias, analisando ondas gravitacionais geradas por binários de pequenos buracos negros estelares próximos, que são os restos de estrelas colapsadas.

Essa abordagem, que exigirá um detector de ondas gravitacionais deci-Hz, permitiria a descoberta dos maiores binários de buracos negros supermassivos, que poderiam permanecer inacessíveis de outra forma.

"Nossa ideia funciona basicamente como ouvir um canal de rádio. Propomos usar o sinal de pares de pequenos buracos negros de forma semelhante à forma como as ondas de rádio transportam o sinal. Os buracos negros supermassivos são a música que é codificada na modulação de frequência (FM) do sinal detectado", disse Jakob Stegmann, autor principal do estudo, que começou este trabalho na Universidade de Zurique como aluno visitante e, desde então, mudou-se para o Instituto Max Planck de Astrofísica como pesquisador de pós-doutorado. 

"O aspecto inovador dessa ideia é utilizar altas frequências , fáceis de detectar, para sondar frequências mais baixas , às quais ainda não somos sensíveis."

Um farol indica buracos negros maiores

Resultados recentes de matrizes de tempo de pulsar já dão suporte à existência de binários de buracos negros supermassivos em fusão. Essa evidência é, no entanto, indireta e vem do sinal coletivo de muitos binários distantes que efetivamente criam ruído de fundo.

O método proposto para detectar binários individuais de buracos negros supermassivos alavanca as mudanças sutis que eles causam nas ondas gravitacionais emitidas por um par de pequenos buracos negros de massa estelar próximos. O pequeno buraco negro binário funciona, portanto, efetivamente como um farol que revela a existência dos buracos negros maiores .

Ao detectar pequenas modulações em sinais de pequenos buracos negros binários, os cientistas puderam identificar buracos negros binários supermassivos anteriormente ocultos, com massas variando de 10 milhões a 100 milhões de vezes a do nosso Sol, mesmo a grandes distâncias.

Lucio Mayer, coautor do estudo e teórico de buracos negros na Universidade de Zurique, acrescentou: "Como o caminho para a Antena Espacial de Interferômetro Laser (LISA) está definido, após a adoção pela ESA em janeiro passado, a comunidade precisa avaliar a melhor estratégia para a próxima geração de detectores de ondas gravitacionais, em particular qual faixa de frequência eles devem atingir — estudos como este trazem uma forte motivação para priorizar um projeto de detector deci-Hz."

Fonte:  phys.org