Primeira detecção de buraco negro supermassivo secundário em um sistema binário bem conhecido

Por Universidade de Turku
Publicado no Phys.org

Buracos negros supermassivos que pesam vários bilhões de vezes a massa do nosso sol estão presentes nos centros das galáxias ativas. Os astrônomos os observam como núcleos galácticos brilhantes onde o buraco negro supermassivo da galáxia devora matéria em um redemoinho violento chamado disco de acreção. Parte da matéria é espremida em um jato poderoso. Este processo faz com que o núcleo galáctico brilhe intensamente em todo o espectro eletromagnético.

Em um estudo recente, os astrônomos encontraram evidências de dois buracos negros supermassivos circulando um ao outro através de sinais provenientes dos jatos associados ao acúmulo de matéria em ambos os buracos negros. A galáxia, ou quasar, como é tecnicamente chamada, é chamada de OJ287 e é mais bem estudada e melhor compreendida como um sistema binário de buracos negros. No céu, os buracos negros estão tão próximos que se fundem em um único ponto. O fato de que o ponto realmente consiste em dois buracos negros torna-se aparente ao detectar que ele emite dois tipos diferentes de sinais. O resultado foi publicado no Monthly Notices da Royal Astronomical Society.

A galáxia ativa OJ 287 fica na direção da constelação de Câncer a uma distância de cerca de 5 bilhões de anos-luz e tem sido observada por astrônomos desde 1888. Já há mais de 40 anos, o astrônomo da Universidade de Turku Aimo Sillanpää e seus associados notaram que há um padrão proeminente em sua emissão que tem dois ciclos, um de cerca de 12 anos e o mais longo de cerca de 55 anos. Eles sugeriram que os dois ciclos resultam do movimento orbital de dois buracos negros em torno um do outro. O ciclo mais curto é o ciclo orbital e o mais longo resulta de uma evolução lenta da orientação da órbita.

O movimento orbital é revelado por uma série de explosões que surgem quando o buraco negro secundário mergulha regularmente através do disco de acreção do buraco negro primário a velocidades que são uma fração mais lentas do que a velocidade da luz. Este mergulho do buraco negro secundário aquece o material do disco e o gás quente é liberado como bolhas em expansão. Essas bolhas quentes levam meses para esfriar enquanto irradiam e causam um flash de luz – uma labareda – que dura cerca de quinze dias e é mais brilhante que um trilhão de estrelas.

Após décadas de esforços para estimar o tempo de mergulho do buraco negro secundário através do disco de acreção, astrônomos da Universidade de Turku, na Finlândia, liderados por Mauri Valtonen e seu colaborador Achamveedu Gopakumar, do Instituto Tata de Pesquisa Fundamental em Mumbai, Índia, e outros, foram capazes de modelar a órbita e prever com precisão quando essas erupções ocorreriam.

Campanhas observacionais bem-sucedidas em 1983, 1994, 1995, 2005, 2007, 2015 e 2019 permitiram à equipe observar as erupções previstas e confirmar a presença de um par de buracos negros supermassivos em OJ 287.

“O número total de erupções previstas agora chega a 26, e quase todas elas foram observadas. O maior buraco negro neste par pesa mais de 18 bilhões de vezes a massa do nosso sol, enquanto o companheiro é aproximadamente 100 vezes mais leve e sua órbita é elíptica, não circular”, diz o professor Achamveedu Gopakumar.

Apesar desses esforços, os astrônomos não conseguiram observar um sinal direto do buraco negro menor. Antes de 2021, sua existência havia sido deduzida apenas indiretamente das explosões e da maneira como faz o jato do buraco negro maior oscila.

“Os dois buracos negros estão tão próximos um do outro no céu que não é possível vê-los separadamente, eles se fundem em um único ponto em nossos telescópios. Somente se virmos sinais claramente separados de cada buraco negro podemos dizer que realmente ‘vimos ‘os dois”, diz o principal autor, professor Mauri Valtonen.

Buraco negro menor observado diretamente pela primeira vez

De maneira emocionante, as campanhas observacionais em 2021/2022 no OJ 287 usando um grande número de telescópios de vários tipos permitiram aos pesquisadores obter observações do buraco negro secundário mergulhando no disco de acreção pela primeira vez e os sinais provenientes do buraco negro menor, em si.

“O período em 2021/2022 teve um significado especial no estudo de OJ287. Anteriormente, havia sido previsto que, durante esse período, o buraco negro secundário mergulharia no disco de acreção de seu companheiro mais massivo. Esperava-se que esse mergulho produzisse um flash muito azul logo após o impacto, e foi de fato observado, poucos dias antes do tempo previsto, por Martin Jelinek e associados da Universidade Técnica Tcheca e do Instituto Astronômico da República Tcheca”, disse o professor Mauri Valtonen.

No entanto, houve duas grandes surpresas – novos tipos de sinalizadores que não haviam sido detectados antes. O primeiro deles foi visto apenas por uma campanha de observação detalhada por Staszek Zola da Universidade Jagiellonian de Cracóvia, na Polônia, e por um bom motivo. Zola e sua equipe observaram uma grande explosão, produzindo 100 vezes mais luz do que uma galáxia inteira, e durou apenas um dia.

“De acordo com as estimativas, a explosão ocorreu logo após o buraco negro menor ter recebido uma grande dose de gás novo para engolir durante seu mergulho. É o processo de engolir que leva ao súbito brilho de OJ287 e que deu poder ao jato que dispara do buraco negro menor de OJ 287. Um evento como esse foi previsto há dez anos, mas não foi confirmado até agora”, explica Valtonen.

O segundo sinal inesperado veio de raios gama e foi observado pelo telescópio Fermi da NASA. A maior erupção de raios gama em OJ287 em seis anos aconteceu justamente quando o buraco negro menor mergulhou no disco de gás do buraco negro primário. O jato do buraco negro menor interage com o gás do disco, e essa interação leva à produção de raios gama. Para confirmar essa ideia, os pesquisadores verificaram que uma explosão de raios gama semelhante já havia ocorrido em 2013, quando o pequeno buraco negro caiu através do disco de gás anteriormente, visto da mesma direção de visão.

“Então, e a explosão de um dia, por que não a vimos antes? OJ287 foi registrado em fotografias desde 1888 e tem sido intensamente seguido desde 1970. Acontece que simplesmente tivemos azar. Ninguém observou OJ287 exatamente naquelas noites em que fazia sua façanha de uma noite. E sem o monitoramento intenso do grupo de Zola, também teríamos perdido desta vez”, afirma Valtonen.

Esses esforços fazem do OJ 287 o melhor candidato para um par de buracos negros supermassivos que está enviando ondas gravitacionais em frequências de nano-hertz. Além disso, OJ 287 está sendo monitorado rotineiramente pelos consórcios Event Horizon Telescope (EHT) e Global mm-VLBI Array (GMVA) para sondar evidências adicionais da presença de um par de buracos negros supermassivos em seu centro e, em particular, para tente obter a imagem de rádio do jato secundário.