Qual é a aparência das colisões de buracos negros?

Pesquisadores do CITA possuem os cálculos e simulações para explicar os misteriosos flashes da galáxia OJ 287.

Em OJ 287, o buraco negro secundário atravessa repetidamente o disco que circunda o buraco negro primário, aproximadamente uma vez a cada 12 anos. Com o passar do tempo, a órbita oval desloca-se lentamente para a frente, fazendo com que o buraco negro colida com diferentes partes do disco. Cada impacto perturba o disco e produz bolhas quentes que geram os pulsos de luz que observamos. Crédito: Ressler et al (2025), CITA 

Aproximadamente duas vezes a cada 12 anos, a 3,5 bilhões de anos-luz de distância, o equivalente luminoso a um trilhão de sóis ilumina o céu noturno e desaparece ao longo dos meses seguintes. É um fenômeno que os astrônomos vêm documentando desde o final da década de 1880, originário de uma galáxia conhecida como OJ 287. Por mais de 40 anos, os astrônomos atribuíram esse comportamento de explosões estranhamente regulares a um par de buracos negros extremamente massivos em rota de colisão. Em teoria, espera-se que pares binários supermassivos sejam comuns – mas este é o único sistema onde há evidências claras de sua existência.

“Pares binários supermassivos como esses oferecem uma oportunidade rara de investigar como as galáxias se fundem e crescem ao longo do tempo”, diz Sean Ressler, pesquisador de pós-doutorado no Instituto Canadense de Física Teórica (CITA). Ressler liderou um artigo recente publicado no The Astrophysical Journal Letters  que apresenta as primeiras simulações de OJ 287. Seus três coautores incluem Luciano Combi, pesquisador nacional do CITA no Instituto Perimeter e na Universidade de Guelph, Bart Ripperda, também do CITA, e Xinyu Li, da Universidade de Tsinghua.

Além das estimativas "de papel e caneta"

No caso do par OJ 287, o buraco negro primário é um dos maiores conhecidos, com cerca de 18 bilhões de vezes a massa do Sol. Ele é circundado por um disco de gás que cai em direção ao seu horizonte de eventos. O buraco negro secundário, com apenas 150 milhões de vezes a massa do Sol, colide repetidamente com esse disco, criando uma explosão de luz.

É uma explicação que se baseia principalmente em estimativas simples, feitas com caneta e papel, de como os buracos negros interagem com o gás circundante. Combi observa que o artigo da equipe apresenta as primeiras simulações de OJ 287 como um todo. Ao contrário das estimativas anteriores, o trabalho deles conseguiu estudar como o disco reage às colisões repetidas, como o gás ejetado interage com o buraco negro secundário e como o buraco negro secundário distorce e amplifica os campos magnéticos que circundam o disco para impulsionar os fluxos de saída.

“Essas simulações levam em consideração a interação complexa entre gravidade extrema, eletrodinâmica e dinâmica de fluidos, a fim de testar rigorosamente se o modelo pode ou não explicar as explosões observadas”, diz Combi. “Esta é a primeira vez que o gás (que produz a luz) ao redor do buraco negro binário foi simulado em sua totalidade.” 

Imagens e animações baseadas em simulação

A equipe utilizou suas simulações para criar animações baseadas em conhecimentos físicos fundamentais que realmente dão vida ao sistema central do OJ 287.

“Durante anos, a ideia de um buraco negro de massa menor colidindo com o disco de um buraco negro de massa maior inspirou visualizações impressionantes e representações artísticas, mas agora temos algumas animações convincentes baseadas em cálculos mais complexos”, diz Ressler.

As simulações geralmente confirmam a ideia de que a colisão do buraco negro secundário com o disco pode gerar energia suficiente para explicar o clarão de luz observado. Observa-se também que as colisões modificam a estrutura do disco, deformando-o e criando padrões espirais transitórios que convergem para o interior.

“Esses cálculos devem ser encarados como um primeiro passo rumo a simulações totalmente realistas”, afirma Ressler. “Ainda precisamos incluir os efeitos de como os flashes de luz são produzidos e como são refratados pela gravidade extrema dos buracos negros. Também fizemos algumas simplificações para tornar as simulações mais viáveis, mas, no fim, esperamos remover essas simplificações e levar em conta o comportamento da luz. Este é um passo em direção a uma compreensão completa do sistema.”

A ligação com as ondas gravitacionais

Devido à intensa gravidade ao redor desses dois buracos negros massivos, eles também causam ondulações no espaço-tempo chamadas ondas gravitacionais. Embora isso os leve, em última análise, a uma colisão total, ela não ocorrerá antes de 10.000 anos. Enquanto isso, há um esforço para detectar essas ondulações monitorando um conjunto de estrelas pulsantes, chamado de matrizes de pulsares, que funcionam como relógios cósmicos. Com a próxima geração de radiotelescópios, a sensibilidade com que podemos monitorar mudanças no espaço-tempo com as matrizes de pulsares aumentará a tal ponto que elas poderão detectar ondas gravitacionais emitidas pelo sistema OJ 287.

Como observa Bart Ripperda, membro do corpo docente do CITA, “a combinação das informações que obteríamos dessas ondas gravitacionais com as informações obtidas por telescópios tradicionais levará a grandes avanços em nossa compreensão da gravidade, dos buracos negros e de como as galáxias crescem ao longo do tempo. Simulações realistas serão cruciais para prever as assinaturas eletromagnéticas da física do plasma perto do horizonte de eventos.”

Cita.utoronto.ca