De alguma forma, um buraco negro supermassivo monstruoso desapareceu

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(Créditos: Raios-X – NASA/CXC/Univ de Michigan/K. Gültekin; Óptico – NASA/STScI e NAOJ/Subaru; Infravermelho – NSF/NOAO/KPNO)

Traduzido por Julio Batista
Original de Michelle Starr para o ScienceAlert

O Universo está cheio de aglomerados de galáxias, mas Abell 2261 está em uma classe própria. Na galáxia no centro do aglomerado, onde deveria haver um dos maiores buracos negros supermassivos do Universo, os astrônomos não conseguiram encontrar nenhum vestígio de tal objeto.

E uma nova busca apenas tornou a ausência mais intrigante: se o buraco negro supermassivo saiu voando pelo espaço, deveria ter deixado evidências de seu trajeto. Mas também não há nenhum sinal disso no material ao redor do centro galáctico.

Mas isso significa que restrições podem ter sido colocadas sobre o que o buraco negro supermassivo – se estiver lá, evitando a detecção – está fazendo.

Os aglomerados de galáxias são as maiores estruturas conhecidas de ligação gravitacional no Universo. Normalmente, eles são grupos de centenas a milhares de galáxias que estão unidas, com uma enorme galáxia anormalmente brilhante no centro ou perto do centro, conhecida como a galáxia de aglomerado mais brilhante (BCG).

Mas mesmo entre as BCGs, a BCG de Abell 2261 (chamado, na verdade, A2261-BCG, e localizada a cerca de 2,7 bilhões de anos-luz de distância) se destaca. Tem cerca de um milhão de anos-luz de diâmetro – até 10 vezes o tamanho da Via Láctea – e tem um núcleo enorme e massivo de 10.000 anos-luz de diâmetro, o maior núcleo galáctico já visto.

Qual delas você acha que é a BCG??? (Créditos: NASA; ESA; M. Postman, STScI; T. Lauer, NOAO, Tucson; equipe da CLASH)

Com base na massa da galáxia, que se correlaciona com o tamanho do buraco negro, deveria haver um buraco negro absolutamente monstruoso no núcleo, entre 3 e 100 bilhões de vezes a massa do Sol, o que poderia torná-lo um dos maiores buracos negros conhecidos (o buraco negro supermassivo da Via Láctea tem 4 milhões de massas solares).

Mas em vez de conter a radiação que você esperaria de um buraco negro supermassivo ativo conforme ele agita e superaquece o material ao seu redor, o núcleo do A2261-BCG é preenchido com uma névoa difusa da luz brilhante das estrelas. Vários instrumentos, incluindo o Observatório de raios-X Chandra, o Very Large Array e o Telescópio Espacial Hubble, não conseguiram encontrar qualquer indício de um buraco negro no centro da A2261-BCG.

Agora, uma equipe de astrônomos liderados por Kayhan Gultekin, da Universidade de Michigan em Ann Arbor (EUA), voltaram ao Chandra para um conjunto de observações mais profundas, com base na hipótese de que o buraco negro supermassivo foi expulso.

Não é uma ideia tão excêntrica. Espera-se que as BCGs cresçam quando se fundem com outras galáxias. Quando isso acontece, os buracos negros supermassivos no centro dessas galáxias em fusão também se fundem, espiralando lentamente em direção ao outro antes de se unirem para se tornarem um buraco negro maior.

Sabemos, agora, graças à astronomia de ondas gravitacionais, que a fusão de buracos negros supermassivos envia ondas gravitacionais ondulando pelo espaço-tempo. É possível que, se as ondas gravitacionais fossem mais fortes em uma direção, o recuo gravitacional poderia expulsar o buraco negro fundido na direção oposta.

Encontrar evidências disso seria incrível. Em primeiro lugar, o recuo da fusão do buraco negro ainda não foi detectado, o que significa que ainda é hipotético. Mas também não sabemos se os buracos negros supermassivos podem realmente se fundir uns com os outros.

De acordo com simulações numéricas de fusões de buracos negros supermassivos, eles não podem. Isso porque, à medida que sua órbita encolhe, o mesmo ocorre com a região do espaço para a qual eles podem transferir energia. No momento em que os buracos negros estão separados por um parsec (cerca de 3,2 anos-luz), teoricamente esta região do espaço não mais é grande o suficiente para suportar mais o decaimento orbital, então eles permanecem em uma órbita binária estável, potencialmente por bilhões de anos. Isso é chamado de problema do último parsec.

Existem várias pistas sugerindo que tal fusão pode ter ocorrido no coração da A2261-BCG. O tamanho do núcleo, para começar. Em 2012, os cientistas sugeriram que dois buracos negros em fusão poderiam ter ejetado um monte de estrelas do núcleo, inflando a região. Isso também explicaria o porquê a concentração mais densa de estrelas estava a 2.000 anos-luz do núcleo.

Em 2017, os cientistas procuraram por uma concentração de alta densidade de estrelas que teriam sido apanhadas pela gravidade de um objeto tão massivo como um buraco negro supermassivo fundido à medida que se afastava do centro galáctico. Dos três aglomerados, dois foram descartados e o terceiro foi inconclusivo.

Tradução da imagem: amontoado de estrelas (star clumps), emissão de rádio (radio emission), galáxia central de Abell 2261 (central galaxy of Abell 2261); em vermelho, o centro de rádio (radio center), em branco, o centro óptico (optical center) e, em azul, o centro de raios-X (Créditos: NASA/CXC, NASA/STScI, NAOJ/Subaru, NSF/NRAO/VLA)

Então, Gultekin e sua equipe usaram o Chandra para uma análise mais detalhada do centro do A2261-BCG e combinaram com os dados de arquivo para pesquisar um nível baixo de atividade de buracos negros supermassivos. A emissão de rádio já havia mostrado que a última atividade de um buraco negro supermassivo no centro da galáxia ocorreu por volta de 48 milhões de anos atrás, então a equipe teve muito cuidado para sondar essa região também.

Eles também observaram as concentrações estelares em torno do núcleo galáctico.

O que a equipe descobriu é que a densidade do gás quente diminui à medida que o centro é aproximado; portanto, a maior densidade de gás não está no meio do núcleo, mas ao redor dele. Mas nenhum dos locais que examinaram mostrou qualquer evidência da raio-X associada à atividade do buraco negro.

Como os buracos negros não emitem radiação detectável por conta própria, e normalmente só podemos detectá-los quando estão se alimentando, é possível que haja um buraco negro no centro do A2261-BCG. Se houver, é quiescente ou está acumulando matéria muito lentamente para ser detectado por nossos instrumentos atuais.

A outra explicação é que o buraco negro foi expulso para muito mais longe do que estávamos procurando. Instrumentos mais sensíveis no futuro podem ajudar a responder a essa pergunta fascinante.

A pesquisa foi aceita pela AAS Journals e está disponível no arXiv.