Traduzido por Julio Batista
Original de Daniel Clery para a Science
É o extremo confronto cósmico: um par de buracos negros supermassivos, cada um com uma massa de milhões de Sóis, cautelosamente circulando um ao outro e espiralando em direção a um choque colossal. Pensa-se que tais fusões culminam nas explosões mais energéticas de ondas gravitacionais do Universo, e devem ser comuns para explicar como os buracos negros supermassivos, encontrados no coração da maioria das galáxias, crescem tanto. Mas, apesar de décadas de pesquisa, nem um único sistema binário de buracos negros supermassivos foi identificado de forma conclusiva. “Estamos em um longo período de estagnação”, disse Jenny Greene, da Universidade de Princeton, EUA.
Em uma reunião este mês na Sociedade Astronômica Real (RAS, na sigla em inglês) em Londres, os pesquisadores relataram pesquisas em andamento que encontraram pistas tentadoras de buracos negros supermassivos binários de todo o espectro eletromagnético. Nenhum foi confirmado, mas conjuntos de dados crescentes e novos instrumentos podem finalmente capturar buracos negros supermassivos em suas danças colossais. “Espero que uma dessas coisas apareça”, disse Greene.
Os desafios são muitos. Por definição, os buracos negros não emitem luz própria. As ondas gravitacionais das colisões de buracos negros supermassivos estão em frequências além do alcance dos atuais detectores baseados na Terra. E as duplas de buracos negros supermassivos emitiriam outros sinais detectáveis apenas quando estivessem próximas, separadas por alguns anos-luz ou menos em órbitas que durassem no máximo algumas décadas. Nessa separação, mesmo aqueles buracos negros com brilhantes “discos de acreção” de matéria sendo sugados para dentro do seu interior estariam muito próximos para serem distinguidos pelos telescópios mais aguçados de hoje.
Em vez disso, astrônomos procuram comportamentos estranhos e periódicos na luz dos discos de acreção dos buracos negros supermassivos. Uma assinatura pode se originar nos gases mais frios logo além da borda de um disco. Eles emitem luz em comprimentos de onda específicos, que o movimento giratório dos gases espalha em “linhas de emissão amplas” por meio do efeito Doppler.
Se cada buraco negro supermassivo em uma dupla tivesse um disco de acreção, no entanto, eles produziriam dois conjuntos distintos de amplas linhas de emissão, deslocadas uma da outra pelo movimento dos buracos negros. Observações repetidas podem revelar variações na posição das linhas conforme os buracos negros supermassivos se circundam. “Elas teriam apenas pequenas frações de uma órbita, mas devem ser mensuráveis”, disse Greene.
Mais de uma década atrás, Greene e seus colegas pesquisaram dados do Sloan Digital Sky Survey, que registrou espectros de milhões de galáxias desde 2000. Embora sua busca tenha descoberto sete galáxias com linhas de emissão amplas duplicadas, nenhuma mostrou sinais claros de mudança desde então. “Os prazos são muito curtos”, disse Greene na reunião da RAS. “Se [Sloan] continuar por mais 10 anos… podemos ver sinais.”
Outra tática é procurar explosões periódicas no brilho geral de um disco de acreção, o que pode ser um sinal de perturbação de um companheiro de um buraco negro supermassivo. Por exemplo, um buraco negro supermassivo em uma órbita próxima, mas inclinada, em torno de um companheiro com um disco de acreção pode colidir com o disco duas vezes em uma órbita, causando uma explosão.
No ano passado, em uma pré-publicação publicada no arXiv, uma equipe relatou ter visto exatamente essa explosão periódica em um núcleo galáctico visto por um telescópio óptico de pesquisa na Califórnia, e estava acelerando: de anual para mensal. A equipe acreditava que era a espiral final da morte de um sistema binário de buracos negros supermassivos e previu uma fusão dentro do ano. “Infelizmente, não funcionou dessa maneira”, disse o membro da equipe Huan Yang, do Perimeter Institute: o ritmo do brilho tornou-se errático.
Outro candidato principal, conhecido como OJ287, explodiu a cada 11 ou 12 anos desde a década de 1970. Mas seu último surto de explosões não apareceu quando esperado em outubro de 2022. “OJ287 ainda pode ser um sistema binário, mas também não podemos descartar que não seja binário”, disse Stefanie Komossa, do Instituto Max Planck de Radioastronomia (MPIfR), cuja equipe o acompanha desde 2015.
Greene disse que não está surpresa que a busca por explosões periódicas não tenha valido a pena. Os discos de acreção são inerentemente ruidosos e podem explodir de outros eventos, como o buraco negro supermassivo engolindo estrelas ou nuvens de gás. “Há muitos candidatos, mas ninguém acredita neles”, disse ela.
Outra maneira dos buracos negros supermassivos anunciarem sua presença é por meio de jatos, feixes estreitos de gás ionizado disparados dos polos do buraco negro a uma velocidade próxima à da luz. Os íons giram em torno das linhas do campo magnético do buraco negro supermassivo, produzindo radiação síncrotron em muitos comprimentos de onda. Se o buraco negro supermassivo, que produz o jato estiver orbitando em um sistema binário, ele pode balançar como um pião e explodir um jato helicoidal, deixando rastros fantasmagóricos de gás brilhante visíveis em comprimentos de onda de rádio. Maya Horton, da Universidade de Hertfordshire, Reino Unido, disse que os rastros de gás podem persistir por milhares ou milhões de anos.
Vasculhando arquivos de imagens de rádio, Horton e seus colegas compilaram uma lista de 20 candidatos com jatos de formas estranhas. Eles esperam descobrir mais quando o Low Frequency Array (LOFAR), um conjunto de antenas de rádio que se estende pelo norte da Europa, lançar um novo conjunto de dados nos próximos meses. O LOFAR pediu aos cientistas cidadãos do projeto Radio Galaxy Zoo que procurassem curvas nas imagens da galáxia.
Mas um buraco negro supermassivo solitário também pode imitar essa assinatura se seu disco de acreção for inclinado em comparação com o giro do buraco negro. Através de um processo conhecido como frame-dragging, o buraco negro faz com que o eixo de rotação do disco gire, ou “précesse”. E como os jatos se alinham com o eixo do disco, um disco em precessão também deve produzir um jato do tipo saca-rolhas.
Além disso, os teóricos ainda não entendem completamente como os jatos operam, muito menos como os buracos negros supermassivos em interação podem afetá-los. “Eles dificilmente podem ser modelados no momento”, disse Silke Britzen, do MPIfR. Então ela e outros observadores não podem ter certeza de que um jato curvo sinaliza um par de buracos negros. “Estamos mais ou menos adivinhando.”
Em busca de um sinal mais definitivo, a equipe de Britzen ampliou com observatórios de rádio de alta resolução para rastrear e investigar os jatos, para ver se eles variam ao longo do tempo. Eles visaram a galáxia em chamas OJ287, cujo jato pensa-se ser apontado quase diretamente para a Terra. Em 2018, eles publicaram uma análise de 120 imagens feitas ao longo de mais de 2 décadas com o Very Long Baseline Array, um conjunto de 10 antenas de rádio espalhadas pelos Estados Unidos cujos dados são combinados para alcançar uma resolução muito alta. Eles descobriram que o jato do OJ287 mudou de forma para uma que parece se repetir a cada 22 anos. Seu brilho seguiu o mesmo padrão. Resultados recentes e não publicados mostram que a distribuição de energia do OJ287 através das frequências também pulsa ao longo de um ciclo de 22 anos.
Os três fenômenos síncronos são evidências de um jato oscilante, argumenta Britzen. “O jato está funcionando como um relógio”, disse ela. Embora ela e seus colegas não possam descartar um disco de precessão em torno de um único buraco negro supermamssivo, eles favorecem uma explicação binária e identificaram outros 11 núcleos galácticos mostrando padrões semelhantes.
Britzen espera que algum dia os astrônomos possam aumentar ainda mais o zoom e ver os próprios buracos negros supermassivoss binários com uma versão atualizada do Telescópio do Horizonte de Eventos – uma série de antenas de rádio abrangendo o globo que em 2019 produziu a primeira imagem de um buraco negro supermassivo. A matriz pode precisar ser expandida com antenas de rádio no espaço para obter a resolução necessária para discernir um par de buracos negros supermassivos em distâncias galácticas, mas a recompensa valeria a pena, disse ela. “Seria fantástico realmente ver os dois núcleos girando.”
