Par de buracos negros ultramassivos pode ser o maior já encontrado, e eles esculpiram o centro de uma galáxia brutal

Imagine voltar para casa e encontrar a sala intacta, mas sem sofá, mesa, estante ou qualquer sinal de que alguém já viveu ali. Foi mais ou menos esse o tipo de estranhamento que apareceu nas imagens da galáxia A402-BCG, uma galáxia elíptica colossal no centro do aglomerado Abell 402. Em vez de um núcleo lotado de estrelas, os  astrônomos encontraram uma região escura, pobre em luz, como se uma parte do centro tivesse sido esvaziada.

O objeto central desta matéria, A402-BCG, pertence à família das enormes galáxias elípticas, como a NGC 1316 vista aqui. Imagem: NASA, ESA e The Hubble Heritage Team, STScI/AURA; com agradecimentos a P. Goudfrooij, STScI.

O estudo foi liderado por Michael McDonald e colegas e publicado em The Astrophysical Journal Letters. A equipe analisou dados do  Telescópio Espacial James Webb, do Hubble e do instrumento MUSE, instalado no Very Large  Telescope. O artigo científico descreve uma cavidade de escala quiloparsec no centro da A402-BCG e propõe que ela pode ter sido aberta por interações gravitacionais com um buraco negro ultramassivo. 

A hipótese mais chamativa é que não exista apenas um objeto desse tipo ali, mas dois. Um deles teria cerca de 50 bilhões de vezes a massa do Sol. Se o segundo candidato for confirmado, a dupla chegaria a cerca de 60 bilhões de massas solares, tornando-se possivelmente o par de buracos negros mais massivo já identificado. Para um objeto invisível, é uma entrada bastante espalhafatosa na sala.

O vazio que denunciou os gigantes

A402-BCG pertence a uma classe de galáxias que costuma morar nos centros de grandes aglomerados. Elas crescem ao longo de bilhões de anos por fusões, engolindo outras galáxias, acumulando estrelas e alimentando buracos negros centrais. Esse processo é importante para entender a evolução de uma galáxia , principalmente quando ela chega a tamanhos extremos.

O estranho é que o centro dessa galáxia não parece simplesmente empoeirado ou obscurecido. A região escura continua aparecendo nas observações do James Webb, que enxerga muito bem no infravermelho, justamente a faixa de luz que ajuda a atravessar poeira cósmica. Se fosse apenas uma cortina de poeira, o efeito deveria mudar mais claramente entre diferentes comprimentos de onda.

A AAS Nova resumiu a descoberta destacando que o núcleo pobre em estrelas mede cerca de 6,5 mil anos-luz de largura, enquanto a cavidade menor e mais escura representa um déficit estimado de aproximadamente 2 bilhões de massas solares em estrelas. Não é uma falha cosmética na imagem; é uma falta de matéria luminosa em uma escala difícil de ignorar.

Como se expulsa uma multidão de estrelas

Concepção artística de um centro galáctico ultramassivo binário. Crédito: HypeScience.com

A explicação proposta passa por uma espécie de estilingue gravitacional. Quando dois buracos negros enormes orbitam um ao outro, estrelas que passam perto demais podem receber energia orbital e ser lançadas para regiões mais externas da galáxia. Nenhuma mão invisível precisa varrer o núcleo; a própria gravidade faz o serviço com eficiencia brutal.

Esse mecanismo é conhecido em modelos de núcleos galácticos massivos. Depois que duas galáxias se fundem, seus buracos negros centrais podem formar um par. Enquanto a dupla encolhe sua órbita, ela interage com estrelas próximas e vai limpando o caminho. Em galáxias elípticas gigantes, esse processo pode criar centros menos densos do que o esperado.

No caso de A402-BCG, a cavidade parece ser a assinatura dessa faxina cósmica. O objeto brilhante visto no infravermelho, localizado na borda da região escura, tem características compatíveis com um núcleo galáctico ativo. Em linguagem mais simples: há um ponto compacto emitindo energia como se um buraco negro estivesse se alimentando de material ao redor.

O peso de 60 bilhões de sóis

A massa estimada do principal buraco negro é de cerca de 50 bilhões de massas solares. Esse valor fica muito acima de buracos negros supermassivos mais familiares, como Sagittarius A*, no centro da Via Láctea, que tem cerca de 4 milhões de massas solares. A diferença é tão grande que a comparação quase perde a utilidade, como medir um prédio e o Monte Everest com a mesma trena.

A possibilidade de um segundo buraco negro vem de observações espectroscópicas do MUSE. O instrumento detectou gás ionizado em duas regiões, uma delas associada ao ponto infravermelho brilhante e outra do lado oposto da cavidade. A equipe relata uma diferença de velocidade de cerca de 370 quilômetros por segundo entre as fontes, um indício compatível com dois núcleos ativos separados por escala galáctica.

Se a interpretação estiver correta, esse sistema superaria o par de buracos negros conhecido em PKS 2131-021, cuja massa total estimada é de cerca de 40 bilhões de massas solares, segundo cobertura da  Science News. O novo candidato seria, portanto, não apenas grande, mas grande o bastante para redefinir a prateleira dos recordes.

Por que o James Webb foi decisivo

O Hubble já havia revelado detalhes importantes da galáxia, mas o James Webb acrescentou uma peça crucial: a visão infravermelha. Como a poeira interfere menos nessa faixa, a persistência da cavidade nos dados do Webb torna menos provável que estejamos vendo apenas um bloqueio de luz. A ausência parece ser mesmo uma ausência.

Esse ponto é central para o estudo. Uma nuvem de poeira poderia simular uma mancha escura, mas deveria deixar uma assinatura diferente conforme a observação passasse do visível para o infravermelho. A análise da equipe comparou esse comportamento com sistemas conhecidos e concluiu que a explicação por poeira não resolve bem o problema. 

O Telescópio Espacial James Webb tem sido especialmente útil para investigar galáxias distantes, antigas ou cobertas por poeira. Nesse caso, ele não encontrou apenas algo brilhando; ajudou a mostrar que uma parte do brilho esperado não estava lá.

Buracos negros também esculpem galáxias

Buracos negros não são apenas ralos cósmicos onde cái toda a matéria. Quando estão no centro de galáxias, eles podem interferir no gás, no ritmo de formação de estrelas e na distribuição de matéria ao redor. Jatos, ventos e interações gravitacionais fazem parte dessa influência. Em A402-BCG, o principal efeito sugerido é mecânico: estrelas teriam sido deslocadas por encontros gravitacionais com uma dupla extrema.

Esse tipo de descoberta também importa para a matéria escura O estudo estima o déficit de estrelas, mas a região também deve conter matéria escura afetada pela dinâmica gravitacional. Como ela não emite luz, sua participação precisa ser inferida por modelos e pela distribuição da matéria visível.

A escala da cavidade ajuda a mostrar como buracos negros e galáxias evoluem juntos. Uma fusão galáctica não é apenas uma colisão bonita para render imagem de capa; é um rearranjo profundo de órbitas, gás e estruturas internas. O resultado pode permanecer registrado por bilhões de anos no formato do núcleo.

O que isso tem a ver com ondas gravitacionais

Se dois buracos negros supermassivos continuam perdendo energia orbital, a expectativa é que, em algum momento, eles se aproximem até se fundirem. Nessa etapa final, a emissão de ondas gravitacionais se tornaria fundamental. Essas ondulações no espaço-tempo já foram detectadas em fusões de buracos negros menores por observatórios terrestres, mas pares supermassivos exigem outro tipo de detector.

É aí que entra a missão LISA, planejada pela Agência Espacial Europeia com participação da NASA. Ela será formada por três espaçonaves separadas por milhões de quilômetros, projetadas para detectar ondas gravitacionais de baixa frequência, justamente o tipo esperado de sistemas muito massivos.

Mesmo que A402-BCG não produza um sinal observável em breve, sistemas como esse ajudam a estimar quantos pares parecidos existem no Universo. Esse inventário será importante quando a astronomia de ondas gravitacionais avançar para objetos muito maiores que os detectados até agora.

Uma descoberta que ainda pede cautela

Em  ciência, uma boa hipótese precisa sobreviver a novas observações, não apenas soar interessante. Por isso a linguagem do estudo é cuidadosa. Os autores não afirmam que tudo está encerrado, e sim que os dados são compatíveis com uma cavidade criada por interação dinâmica com um buraco negro ultramassivo e com a possível presença de dois núcleos ativos.

Há perguntas importantes em aberto. A segunda fonte é realmente outro buraco negro ativo? A cavidade foi produzida por uma única fase de interação ou por uma sequência de fusões anteriores? A massa estimada depende de modelos que poderão ser refinados com observações futuras. Nada disso enfraquece a descoberta; apenas mostra que ela está no ponto em que fica mais interessante.

O caso também sugere um caminho prático para procurar outros sistemas. Em vez de tentar enxergar diretamente buracos negros,  astrônomos podem procurar seus efeitos: centros galácticos esvaziados, gás ionizado, fontes compactas e assimetrias difíceis de explicar por poeira ou formação estelar comum. A ausência, quando medida com cuidado, vira dado.

Talvez o aspecto mais bonito dessa história seja a inversão de expectativa: o achado começa não com uma explosão, mas com uma lacuna. Uma galáxia enorme mostra um pedaço central empobrecido, e esse vazio aponta para objetos que podem estar entre os mais massivos já encontrados. É um lembrete útil de que o Universo nem sempre anuncia suas maiores estruturas com brilho; às vezes ele deixa um buraco no meio da cena e espera que alguém perceba.

Hypescience.com