Buracos negros colossais estão presos em uma dança no coração da galáxia

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O conceito deste artista mostra dois candidatos a buracos negros supermassivos no coração de um quasar chamado PKS 2131-021. Nesta visão do sistema, a gravidade do buraco negro em primeiro plano (à direita) pode ser vista curvando e distorcendo a luz de seu companheiro, que possui um jato poderoso. Cada buraco negro tem cerca de cem milhões de vezes a massa do nosso Sol, com o buraco negro em primeiro plano sendo um pouco menos massivo. Créditos: Caltech / R. Hurt (IPAC).

Publicado no California Institute of Technology

Presos em uma épica valsa cósmica a 9 bilhões de anos-luz de distância, dois buracos negros supermassivos parecem orbitar um ao redor do outro a cada dois anos. Os dois corpos gigantes têm massas que são centenas de milhões de vezes maiores que a do nosso Sol, e os objetos estão separados por uma distância de aproximadamente 50 vezes a que separa nosso Sol e Plutão. Quando o par se fundir em aproximadamente 10.000 anos, espera-se que a colisão colossal agite o espaço e o próprio tempo, enviando ondas gravitacionais por todo o Universo.

Uma equipe de astrônomos liderada pelo Caltech descobriu evidências para esse cenário ocorrendo dentro de um objeto extremamente energético conhecido como quasar. Quasares são núcleos ativos de galáxias nas quais um buraco negro supermassivo está sugando material de um disco que o circunda. Em alguns quasares, o buraco negro supermassivo cria um jato disparado em uma velocidade próxima à da luz. O quasar observado no novo estudo, PKS 2131-021, pertence a uma subclasse de quasares chamados blazars, nos quais o jato está apontando para a Terra. Os astrônomos já sabiam que os quasares poderiam possuir dois buracos negros supermassivos em órbita, mas encontrar evidências diretas disso se mostrou difícil.

Reportando no The Astrophysical Journal Letters, os pesquisadores argumentam que o PKS 2131-021 é agora o segundo candidato conhecido para um par de buracos negros supermassivos capturados no ato da fusão. O primeiro candidato, dentro de um quasar chamado OJ 287, orbita um ao outro a distâncias maiores, circulando a cada nove anos em comparação com os dois anos que o par de PKS 2131-021 leva para completar uma órbita.

A evidência reveladora veio de observações de rádio de PKS 2131-021 que abrangem 45 anos. De acordo com o estudo, um poderoso jato que emana de um dos dois buracos negros dentro de PKS 2131-021 está se deslocando para frente e para trás devido ao movimento orbital do par. Isso causa mudanças periódicas no brilho da luz de rádio do quasar. Cinco observatórios diferentes registraram essas oscilações, incluindo o Observatório de Rádio de Owens Valley (OVRO) da Caltech, o Observatório de Radioastronomia da Universidade de Michigan (UMRAO), o Observatório Haystack do MIT, o Observatório Nacional de Radioastronomia (NRAO), nos EUA, o Observatório de Rádio Metsähovi na Finlândia e o satélite espacial Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE).

A combinação dos dados de rádio produz uma curva de luz senoidal quase perfeita, diferente de qualquer coisa observada em quasares antes.

“Quando percebemos que os picos e vales da curva de luz detectados nos últimos tempos correspondiam às cristas e vales observados entre 1975 e 1983, sabíamos que algo muito especial estava acontecendo”, disse Sandra O’Neill, principal autora do novo estudo e uma estudante de graduação na Caltech que é orientada por Tony Readhead, professor emérito de Astronomia.

Ondulações no espaço e no tempo

A maioria das galáxias, se não todas, possui buracos negros monstruosos em seus núcleos, incluindo nossa própria Via Láctea. Quando as galáxias se fundem, seus buracos negros “afundam” no meio da galáxia recém-formada e eventualmente se unem para formar um buraco negro ainda mais massivo. À medida que os buracos negros espiralam um em direção ao outro, eles perturbam cada vez mais o tecido do espaço e do tempo, enviando ondas gravitacionais, que foram previstas pela primeira vez por Albert Einstein há mais de 100 anos.

O LIGO (Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro Laser, da sigla em inglês) da National Science Foundation, gerenciado em conjunto pela Caltech e pelo MIT, detecta ondas gravitacionais de pares de buracos negros com até dezenas de vezes a massa do nosso Sol. No entanto, os buracos negros supermassivos nos centros das galáxias têm milhões a bilhões de vezes mais massa que o nosso Sol e emitem frequências de ondas gravitacionais mais baixas do que as detectadas pelo LIGO.

No futuro, as matrizes de cronometragem de pulsares – que consistem em uma matriz de estrelas mortas pulsantes monitoradas com precisão por radiotelescópios – devem ser capazes de detectar as ondas gravitacionais de buracos negros supermassivos dessa faixa de massa. (A próxima missão chamada de Antena Espacial de Interferômetro Laser, ou LISA na sigla em inglês, detectaria a fusão de buracos negros cujas massas são 1.000 a 10 milhões de vezes maiores que a massa do nosso Sol.) Até agora, nenhuma onda gravitacional foi registrada de nenhuma dessas fontes mais massivas, mas PKS 2131-021 fornece o alvo mais promissor até agora.

Enquanto isso, as ondas de luz são a melhor opção para detectar buracos negros supermassivos coalescentes.

O primeiro candidato, OJ 287, também exibe variações periódicas de luz de rádio. Essas oscilações são mais irregulares e não senoidais, mas sugerem que os buracos negros orbitam um ao outro a cada nove anos. Os buracos negros dentro do novo quasar, PKS 2131-021, orbitam um ao outro a cada dois anos e estão separados por 2.000 unidades astronômicas, cerca de 50 vezes a distância entre nosso Sol e Plutão, ou 10 a 100 vezes mais próximos do que o par em OJ 287. (Uma unidade astronômica é a distância entre a Terra e o Sol.)

Revelando a curva de luz de 45 anos

Readhead disse que as descobertas se desenrolaram como um “bom romance policial”, começando em 2008, quando ele e seus colegas começaram a usar o telescópio de 40 metros do OVRO para estudar como os buracos negros convertem o material que eles “alimentam” em jatos relativísticos, ou jatos viajando em velocidades até 99,98 por cento da luz. Eles estavam monitorando o brilho de mais de 1.000 blazares para esse fim quando, em 2020, notaram um caso único.

“PKS 2131 variava não apenas periodicamente, mas também de forma sinusoidal”, disse Readhead. “Isso significa que existe um padrão que podemos traçar continuamente ao longo do tempo”. A questão, disse ele, é por quanto tempo esse padrão de onda senoidal está acontecendo?

A equipe de pesquisa então passou por dados de rádio de arquivo para procurar picos anteriores nas curvas de luz que correspondiam às previsões com base nas observações mais recentes do OVRO. Primeiro, os dados do Very Long Baseline Array do NRAO e do UMRAO revelaram um pico de 2005 que correspondeu às previsões. Os dados do UMRAO mostraram ainda que não havia sinal senoidal por 20 anos antes disso – até 1981, quando outro pico previsto foi observado.

“A história teria parado por aí, pois não percebemos que havia dados sobre esse objeto antes de 1980”, disse Readhead. “Mas, então, Sandra pegou esse projeto em junho de 2021. Se não fosse por ela, essa bela descoberta estaria na prateleira”.

O’Neill começou a trabalhar com Readhead e o segundo autor do estudo, Sebastian Kiehlmann, pós-doutorado na Universidade de Creta, na Grécia, e ex-cientista da Caltech, como parte do programa Summer Undergraduate Research Fellowship (SURF) da Caltech. O’Neill começou a faculdade como química, mas aceitou o projeto de astronomia porque queria permanecer ativa durante a pandemia. “Percebi que estava muito mais empolgada com isso do que com qualquer outra coisa em que trabalhei”, disse ela.

Com o projeto de volta à mesa, Readhead pesquisou na literatura e descobriu que o Observatório Haystack havia feito observações de rádio de PKS 2131-021 entre 1975 e 1983. Esses dados revelaram outro pico que corresponde às suas previsões, desta vez ocorrendo em 1976.

“Este trabalho mostra o quão valioso é fazer o monitoramento preciso dessas fontes ao longo de muitos anos para realizar a ciência da descoberta”, disse o coautor Roger Blandford, acadêmico em Astrofísica Teórica no Caltech, que está atualmente em licença sabática da Universidade de Stanford.

Como um relógio

Readhead compara o sistema do jato movendo-se para frente e para trás a um relógio, onde cada ciclo, ou período, da onda senoidal corresponde à órbita de dois anos dos buracos negros (embora o ciclo observado seja na verdade cinco anos devido à luz sendo esticada pela expansão do Universo). Esse tique-taque foi visto pela primeira vez em 1976 e continuou por oito anos antes de desaparecer por 20 anos, provavelmente devido a mudanças no abastecimento do buraco negro. O tique-taque está de volta há 17 anos.

“O relógio continuou marcando”, disse ele. “A estabilidade do período ao longo desse intervalo de 20 anos sugere fortemente que esse blazar abriga não um buraco negro supermassivo, mas dois buracos negros supermassivos orbitando um ao outro”.

A física subjacente às variações sinusoidais era inicialmente um mistério, mas Blandford apresentou um modelo simples e requintado para explicar a forma sinusoidal das variações.

“Sabíamos que essa bela onda senoidal tinha que estar nos dizendo algo importante sobre o sistema”, disse Readhead. “O modelo de Roger nos mostra que é simplesmente o movimento orbital que faz isso. Antes de Roger descobrir, ninguém havia descoberto que um sistema binário com um jato relativístico teria uma curva de luz parecida com esta”.

Kiehlmann disse que seu “estudo fornece um modelo de como procurar esses binários de blazares no futuro”.