Primeiro par de buracos negros supermassivos próximos detectado?

 No centro da galáxia Markarian 501, parece haver não apenas um, mas dois buracos negros supermassivos. Observações de rádio ao longo de vários anos sugerem que a dupla poderá se fundir em apenas 100 anos. 

A representação artística mostra o centro da galáxia Markarian 501, de onde são emanados dois jatos poderosos. O buraco negro supermassivo no centro, cuja existência já era conhecida, desvia parcialmente a luz do jato que se encontra por detrás dele, formando o chamado anel de Einstein. Este jato curvado tem, muito provavelmente, origem num segundo buraco negro, ainda não observado. As observações de rádio são visíveis como contornos no fundo. Crédito: Emma Kun/Observatório HUN-REN Konkoly/realizado com apoio da IA

As descobertas atuais sugerem que existe um buraco negro supermassivo no centro de quase todas as galáxias grandes, com uma massa milhões ou até bilhões de vezes maior que a do nosso Sol. Ainda não está claro exatamente como eles podem atingir massas tão enormes. Coletar (acrecer) gás da região circundante levaria muito tempo, então é provável que eles precisem se fundir com outros buracos negros massivos. Colisões de galáxias foram observadas em todo o nosso Universo. Assim, é muito provável que os buracos negros supermassivos nos centros dessas galáxias em colisão também se fundam, primeiro orbitando um ao outro cada vez mais perto e, por fim, coalescendo em um só.

feixe de partículas revelador

No entanto, os modelos teóricos ainda não conseguem descrever com precisão essa fase final. Para complicar ainda mais as coisas, nenhum par próximo de buracos negros massivos foi detectado de forma confiável até o momento, apesar de colisões entre galáxias serem comuns em escalas de tempo cósmicas. Uma equipe internacional liderada por Silke Britzen, do Instituto Max Planck de Radioastronomia (MPIfR) em Bonn, encontrou evidências diretas de um par desse tipo no núcleo de Mrk 501. O trabalho foi aceito para publicação no periódico Monthly Notices of the Royal Astronomical Society e será publicado em uma próxima edição.

O buraco negro no centro de Mrk 501 ejeta um poderoso jato de partículas viajando a quase a velocidade da luz para o espaço. Para o estudo, a equipe analisou observações de alta resolução da região. Essas observações abrangem várias frequências de rádio e foram coletadas em dezenas de dias ao longo de um período de aproximadamente 23 anos. Esses dados de longo prazo revelam não apenas um único jato, mas também um segundo.

É a primeira imagem direta de um sistema desse tipo no centro de uma galáxia e uma clara indicação da existência de um segundo buraco negro supermassivo. "Procuramos por ele durante tanto tempo, e então foi uma surpresa completa não apenas ver um segundo jato, mas também rastrear seu movimento", relata Silke Britzen.

dança íntima de buracos negros

O primeiro jato aponta para a Terra, razão pela qual nos parece particularmente brilhante e já era conhecido há muito tempo. O segundo jato tem uma orientação diferente e, portanto, foi mais difícil de detectar. Ao longo de apenas algumas semanas, os astrônomos observaram mudanças significativas: o segundo jato começa atrás do buraco negro maior e se move no sentido anti-horário ao seu redor. Esse processo se repete. "Avaliar os dados foi como estar em um navio. Todo o sistema de jatos está em movimento.

Um sistema de dois buracos negros pode explicar isso: o plano orbital oscila", explica Silke Britzen. Em um dia de observação em junho de 2022, a radiação emitida pelo sistema chegou até nós por uma trajetória tão sinuosa que parecia ter a forma de um anel – o chamado anel de Einstein. Uma explicação consistente com a interpretação de um sistema binário de buracos negros seria que o sistema estivesse perfeitamente alinhado conosco. A lente gravitacional causada pelo buraco negro conhecido à frente moldou a luz do segundo jato atrás dele.

A representação gráfica mostra a região central da galáxia Markarian 501 a uma frequência de 43 gigahertz em três dias diferentes. Os contornos indicam a intensidade da emissão, enquanto os círculos cinzentos assinalam regiões brilhantes dentro do jato, identificadas através de cálculos de modelos. É possível acompanhar o movimento dos jatos observando a evolução destas regiões. O jato anteriormente conhecido (Jato 1, linha laranja) que aponta para a Terra é claramente visível. O segundo jato recém-descoberto (Jato 2, azul) alterou o seu aspeto no espaço de algumas semanas. Ambos os fluxos de partículas têm origem próximos um do outro, no núcleo da galáxia. A posição do buraco negro (BH) associado ao Jato 1 está marcada com uma seta. Crédito: S. Britzen

Ao analisar a progressão ao longo do tempo e os padrões recorrentes no brilho dos jatos, os pesquisadores conseguiram deduzir que os dois buracos negros orbitam um ao outro com um período de aproximadamente 121 dias. Eles estão a uma distância entre 250 e 540 vezes maior do que a distância entre a Terra e o Sol – uma distância ínfima para objetos tão extremos, com massas entre 100 milhões e um bilhão de vezes a do Sol. Dependendo de suas massas reais, a distância entre eles poderia diminuir tão rapidamente que poderiam se fundir em apenas 100 anos.

Contagem regressiva para o final

Devido à grande distância entre Mrk 501 e a Terra, nem mesmo os métodos de observação mais avançados conseguem obter imagens dos dois buracos negros como objetos separados. Nem mesmo o Telescópio do Horizonte de Eventos (EHT), que nos forneceu as primeiras imagens de buracos negros em 2019 e 2022, é suficientemente potente. A órbita cada vez menor do par em Mrk 501, portanto, não será diretamente observável. No entanto, os cientistas esperam evidências claras da separação cada vez menor entre os dois buracos negros: o sistema deverá emitir ondas gravitacionais em frequências muito baixas, que poderão ser detectadas usando conjuntos de pulsares (PTAs) .

Sistemas binários de buracos negros supermassivos (SMBHBs) já são a explicação mais aceita para o fundo de ondas gravitacionais observado, para o qual foram encontradas evidências em 2023 pelo European Pulsar Timing Array e outros. Mrk 501 agora é um forte candidato para atribuir a emissão de ondas gravitacionais medida com PTAs a um sistema binário de buracos negros supermassivos específico. "Se ondas gravitacionais forem detectadas, podemos até mesmo observar sua frequência aumentar constantemente à medida que os dois gigantes espiralam em direção à colisão, oferecendo uma rara oportunidade de observar o desenrolar de uma fusão de buracos negros supermassivos", observa o coautor Héctor Olivares.

Sociedade Max Planck