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Já sabemos como detectar e medir buracos negros supermassivos binários em fusão

Buracos negros supermassivos em processo de fusão nos centros das galáxias poderiam ser detectados com uma técnica descoberta “por acaso”. Ao estudar a galáxia KIC 11606854, pesquisadores descobriram que dois buracos negros em órbita mútua podem mostrar um declínio no brilho. Para entender como isso funciona, eles criaram uma simulação, que veremos abaixo.

O que sabemos sobre a “Spikey”

Os dados suspeitos da galáxia KIC 11606854, apelidada de “Spikey”, foram detectados pelo telescópio Kepler em 2011 e encontrados alguns anos mais tarde. Essas detecções mostraram um centro galáctico ativo (AGN) incomum, com um pico de brilho estranho. Os AGN são núcleos de galáxias emissores de radiação intensa.

Astrônomos consideram que um AGN é formado quando, no centro da galáxia, há um buraco negro supermassivo ativo, isto é, se alimentando de matéria. No processo de alimentação, o buraco negro acumula plasma na forma de discos de acreção e jatos relativísticos. O AGN pode ser mais brilhante do que a própria galáxia que o hospeda.

No caso da Spikey, o pico de brilho incomum em 2011 sugeria algo ainda mais fantástico: um processo de fusão entre dois buracos negros supermassivos. Mas há uma condição para que as observações correspondam a essa hipótese — os dois buracos negros devem estar alinhados em relação à Terra, de modo que o telescópio Kepler possa registrar o momento de ocultação.

Diagrama de uma lente gravitacional formada por um buraco negro em primeiro plano, distorcendo o trajeto da luz emitida pela radiação do segundo buraco negro, mais distante. Para vermos o fenômeno, os dois objetos devem se alinhar com a Terra (Imagem: Reprodução/APS/Carin Cain)
Diagrama de uma lente gravitacional formada por um buraco negro em primeiro plano, distorcendo o trajeto da luz emitida pela radiação do segundo buraco negro, mais distante. Para vermos o fenômeno, os dois objetos devem se alinhar com a Terra (Imagem: Reprodução/APS/Carin Cain)

A ocultação ocorre quando dois objetos astronômicos alinham-se quase perfeitamente à Terra, de modo que o corpo mais próximo oculte o mais distante. É exatamente isso o que acontece quando temos um eclipse lunar ou solar, por exemplo. No caso dos buracos negros na Spikey, eles devem orbitar entre si em um plano alinhado com nosso planeta. Assim, um deles ocasionalmente passará em frente ao outro.

Quando essa ocultação ocorre em Spikey, o buraco negro que estiver à frente formará uma lente gravitacional que ampliará a luz emitida pelo buraco negro em segundo plano. Essa ampliação é (segundo a hipótese) a causa do pico no brilho do AGN nessa galáxia. Para comprovar isso, no entanto, os cientistas precisam esperar para ver esse pico ocorrer novamente em determinados períodos.

Simulações dos buracos negros

Enquanto o AGN em Spikey ainda é considerado apenas um “candidato” a dupla de buracos negros supermassivos em processo de fusão, os cientistas estão tentando simular o processo para ver se a previsão dos modelos de computador correspondem à realidade, isto é, aos dados reais observados anteriormente.

Acontece que Jordy Davelaar e Zoltán Haiman, autores da pesquisa, encontraram algumas surpresas na simulação. Eles descobriram que, após o pico de aumento de brilho, o ocultamento e a lente gravitacional da dupla de buracos negros causa também uma curiosa queda no brilho.

É importante destacar dois elementos importantes nesse cenário. Um deles é a lente gravitacional formada pelo buraco negro em primeiro plano. Esse fenômeno natural é incrivelmente útil, pois ajuda os cientistas a determinar coisas como a massa e diâmetro dos objetos no sistema.

Como a simulação prevê a ocultação do buraco negro em segundo plano (laranja) e como sua luz é distorcida pela lente gravitacional. As curvas de luz (abaixo) mostra o gráfico durante o evento, com um pico (2) e declínio (3) do brilho durante a ocultação (Imagem: Reprodição/J. Davelaar/Z. Haiman/APS)
Como a simulação prevê a ocultação do buraco negro em segundo plano (laranja) e como sua luz é distorcida pela lente gravitacional. As curvas de luz (abaixo) mostra o gráfico durante o evento, com um pico (2) e declínio (3) do brilho durante a ocultação (Imagem: Reprodição/J. Davelaar/Z. Haiman/APS)

O segundo elemento é a “sombra” dos buracos negros. A luz que vemos é emitida pelo plasma de matéria no disco de acreção, já que o buraco negro, em si, é invisível — ele é a sombra no lado interno do anel brilhante que observamos nas imagens.

Durante o ocultamento de um buraco negro por outro, o formato daquele que está em primeiro plano permanece o mesmo, enquanto a luz do segundo é distorcida e ampliada. Esse efeito da lente gravitacional ocorre devido à massa do objeto em primeiro plano, que distorce o espaço-tempo ao seu redor, alterando o trajeto da luz.

Esse processo de lentificação já é algo bem conhecido pelos cientistas, mas eles não esperavam por uma queda no brilho após o pico. Mas, conforme observamos no gráfico abaixo, ela ocorre logo após o aumento de luminosidade causado pela aproximação dos objetos.

Segundo a simulação, a queda no sinal luminoso deve ser observável em cerca de 1% do tempo em que o buraco negro “lentificado” está em ocultação. Essa descoberta pode se tornar uma boa técnica para que os astrônomos estudem sistemas candidatos a duplas de buracos negros em processo de fusão.

O estudo também mostra que essa queda de luminosidade ocorre quando a lente gravitacional está diretamente sobre o buraco negro mais distante (lentificado). Nesse momento, a sombra do buraco negro lentificado é totalmente captada pelo objeto em primeiro plano.

Usando estimativas de variabilidade de fundo e ruído de instrumentos, os autores estimam que essa queda deve ser detectável em cerca de 1% dos 150 candidatos a buracos negros supermassivos binários (duplas em interação) encontrados até agora. Pode parecer um detalhe insignificante, mas essa variação de brilho dos buracos negros em lente gravitacional poderá ajudar a encontrar duplas como a de Spikey em galáxias muito distantes.

Ao obter dados de picos e quedas de luminosidade que correspondem ao novo estudo, os cientistas terão motivos para investigar melhor a galáxia em questão. Além disso, o método permitirá medir o diâmetro dos buracos negros binários muito afastados de nós, ainda que pareçam pequenos demais devido à distância.

Problemas à frente

Ainda há muitas perguntas para responder, mas o novo método pode ser útil para encontrar as soluções. Uma das dúvidas mais pertinentes é o problema do parsec final, uma questão teórica que supostamente impede a colisão entre dois buracos negros supermassivos.

O problema do parsec final é a matemática que mostra a perda de energia dos buracos negros em rota de colisão. Eles se aproximação até ficarem a cerca de 1 parsec de distância (apenas 3.26 anos-luz) entre si, mas a gravidade não será forte o suficiente para superar a força centrífuga da órbita de cada buraco negro para continuar a se aproximarem.

Ninguém sabe, na verdade, o que acontece durante este último parsec, embora muitos astrônomos afirmem que a colisão, de fato, ocorrerá, mesmo com os problemas matemáticos. Com o novo método de detectar pares de buracos negros em fusão, os cientistas poderão observar candidatos e, quem sabe, encontrar alguns “vencendo” o problema do parsec final.

Outras perguntas incluem como as teorias da termodinâmica se aplicam ao plasma dos buracos negros; se os discos colidirão à medida que os buracos negros espiralam um em direção ao outro; o que aconteceria se o gás nos discos não for exatamente como os modelos mostram; entre outras.

Essas questões são importantes para atualizar a modelagem da interação entre buracos negros, o que, por sua vez, nos revelará como o processo ocorre com precisão ainda maior. Os próximos observatórios, como o Vera Rubin, com inauguração prevista para este ano, deverão observar mais de 100 milhões de buracos negros supermassivos, e ajudarão a resolver alguns desses problemas inquietantes.

Fonte: Canaltech

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