Astrônomos viram um par distante de buracos negros titânicos rumando para uma colisão.
A massa de cada buraco negro é mais de 800 milhões de vezes a massa do nosso sol. À medida que os dois se aproximarem gradualmente em uma espiral de morte, eles começarão a enviar ondas gravitacionais que ondulam através do espaço-tempo. Essas ondas cósmicas se juntarão ao ruído de fundo, ainda não detectado, das ondas gravitacionais de outros buracos negros supermassivos.
Mesmo antes da colisão destinada, as ondas gravitacionais que emanam do par de buracos negros supermassivos superam aquelas anteriormente detectadas pelas fusões de buracos negros e estrelas de nêutrons muito menores.
“Binários de buracos negros supermassivos produzem as ondas gravitacionais mais altas do universo”, diz a co-descobredora Chiara Mingarelli, pesquisadora associada do Centro de Astrofísica Computacional do Instituto Flatiron, em Nova York. Ondas gravitacionais de pares de buracos negros supermassivos “são um milhão de vezes mais altas que as detectadas pelo LIGO”.
O estudo foi liderado por Andy Goulding, um pesquisador associado da Universidade de Princeton. Goulding, Mingarelli e colaboradores de Princeton e do Laboratório de Pesquisa Naval dos EUA em Washington, D.C., relatam a descoberta em 10 de julho no The Astrophysical Journal Letters.
Os dois buracos negros supermassivos são especialmente interessantes porque estão a cerca de 2,5 bilhões de anos-luz da Terra. Como olhar para objetos distantes na astronomia é como olhar para trás no tempo, o par pertence a um universo de 2,5 bilhões de anos mais jovem que o nosso. Coincidentemente, é aproximadamente a mesma quantidade de tempo que os astrônomos estimam que os buracos negros tomarão para começar a produzir poderosas ondas gravitacionais.
No universo atual, os buracos negros já emitem essas ondas gravitacionais, mas mesmo à velocidade da luz, as ondas não nos alcançam por bilhões de anos. A dupla ainda é útil, no entanto. Sua descoberta pode ajudar os cientistas a estimar quantos buracos negros supermassivos próximos estão emitindo ondas gravitacionais que poderíamos detectar agora.
Detectar o fundo da onda gravitacional ajudará a resolver alguns dos maiores desconhecidos da astronomia, como a frequência com que as galáxias se fundem e se os pares de buracos negros supermassivos se fundem ou ficam presos em uma valsa quase infinita em torno um do outro.
“É um grande embaraço para a astronomia que não sabemos se buracos negros supermassivos se fundem”, diz Jenny Greene, co-autora do estudo, professora de ciências astrofísicas em Princeton. “Para todos na física dos buracos negros, observacionalmente, este é um enigma de longa data que precisamos resolver.”
Buracos negros supermassivos contêm milhões ou até bilhões de massa de sóis. Quase todas as galáxias, incluindo a Via Láctea, contêm pelo menos um dos gigantes em seu núcleo. Quando as galáxias se fundem, seus buracos negros supermassivos se encontram e começam a orbitar um ao outro. Com o tempo, esta órbita se aperta quando o gás e as estrelas passam entre os buracos negros e roubam energia.
Uma vez que os buracos negros supermassivos se aproximem o suficiente, porém, esse roubo de energia praticamente pára. Alguns estudos teóricos sugerem que os buracos negros estolam em torno de 1 parsec (aproximadamente 3,2 anos-luz). Essa lentidão dura quase indefinidamente e é conhecida como o problema final do parsec. Nesse cenário, apenas grupos muito raros de três ou mais buracos negros supermassivos resultam em fusões.
Os astrônomos não podem simplesmente procurar por pares paralisados, porque muito antes de os buracos negros ficarem separados por um parsec, eles estão muito próximos para distinguir como dois objetos separados. Além disso, eles não produzem fortes ondas gravitacionais até que superem o obstáculo final do parsec e se aproximem. (Observados como eram há 2,5 bilhões de anos, os recém-descobertos buracos negros aparecem a cerca de 430 parsecs).
Se o problema final do parsec não existir, os astrônomos esperam que o universo seja preenchido com o clamor das ondas gravitacionais dos pares de buracos negros supermassivos. “Esse ruído é chamado de fundo da onda gravitacional, e é um pouco como um coro caótico de grilos cantando à noite”, diz Goulding. “Você não pode discernir um grilo de outro, mas o volume do barulho ajuda a estimar quantos grilos estão por aí.” (Quando dois buracos negros supermassivos finalmente colidem e se combinam, eles emitem um som trovejante que supera todos os outros. Tal evento é breve e extraordinariamente raro, portanto, os cientistas não esperam detectá-lo tão cedo.)
As ondas gravitacionais geradas por pares de buracos negros supermassivos estão fora das frequências atualmente observáveis ??por experimentos como LIGO e Virgo. Em vez disso, os caçadores de ondas gravitacionais contam com conjuntos de estrelas especiais chamadas pulsares que agem como metrônomos. As estrelas que giram rapidamente emitem ondas de rádio em um ritmo constante. Se uma onda gravitacional passageira se estende ou comprime o espaço entre a Terra e o pulsar, o ritmo é ligeiramente eliminado.
Detectar o fundo da onda gravitacional usando uma dessas matrizes de tempo do pulsar requer paciência e abundância de estrelas monitoradas. O ritmo de um único pulsar pode ser interrompido por apenas algumas centenas de nanossegundos ao longo de uma década. Quanto mais alto for o ruído de fundo, maior será a interrupção do tempo e mais cedo a primeira detecção será feita.
Goulding, Greene e outros astrônomos observadores da equipe detectaram os dois titãs com o Telescópio Espacial Hubble. Embora buracos negros supermassivos não sejam diretamente visíveis através de um telescópio óptico, eles são cercados por aglomerados luminosos de estrelas luminosas e gás quente atraídos pelo poderoso puxão gravitacional. Para o seu tempo na história, a galáxia que abriga o novo buraco negro supermassivo “é basicamente a galáxia mais luminosa do universo”, diz Goulding. Além do mais, o núcleo da galáxia está lançando duas plumas de gás extraordinariamente colossais. Depois que os pesquisadores apontaram o Telescópio Espacial Hubble na galáxia para descobrir as origens de suas espetaculares nuvens de gás, descobriram que o sistema continha não um, mas dois buracos negros maciços.
Os observadores juntaram-se aos físicos da onda gravitacional Mingarelli e o estudante de graduação de Princeton, Kris Pardo, para interpretar a descoberta no contexto do fundo da onda gravitacional. A descoberta fornece um ponto de ancoragem para estimar quantos pares de buracos negros supermassivos estão dentro da distância de detecção da Terra. Estimativas anteriores se basearam em modelos computacionais de quantas vezes as galáxias se fundem, ao invés de observações reais de pares de buracos negros supermassivos.
Com base nas descobertas, Pardo e Mingarelli prevêem que, em um cenário otimista, existem cerca de 112 buracos negros supermassivos próximos emitindo ondas gravitacionais. A primeira detecção do fundo da onda gravitacional de buracos negros supermassivos deve, portanto, vir dentro dos próximos cinco anos ou mais. Se tal detecção não for feita, isso seria evidência de que o problema final do parsec pode ser intransponível. A equipe está atualmente analisando outras galáxias semelhantes àquelas que abrigam o recém-descoberto par de buracos negros supermassivos. Encontrar pares adicionais os ajudará a aprimorar suas previsões.
Publicado em 10/07/2019
Artigo original: https://phys.org/news/2019-07-pair-supermassive-black-holes-collision.html
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