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Será que buracos negros supermassivos colidem na fusão entre suas galáxias?

·6 minuto de leitura

Embora os cientistas já compreendam relativamente bem o processo de formação dos buracos negros de massa estelar, ainda não há indícios de que o mistério dos buracos negros supermassivos esteja perto do fim. Ninguém sabe como esses colossais habitantes de núcleos galácticos surgiram, mas uma coisa parece certa: eles não se fundem quando suas galáxias se fundem.

Muitas galáxias passam por alguns processos de fusão ao longo de bilhões de anos, seja engolindo vizinhas menores, seja colidindo com outras de mesmo tamanho. A nossa própria galáxia, a Via Láctea, já engoliu algumas de suas galáxias satélites anãs e está em uma provável rota de colisão com Andrômeda, a maior galáxia do chamado Grupo Local.

O resultado dessa fusão é algo apelidado de “Androláctea”, mas não se sabe exatamente que tipo de galáxia será — embora muitos suponham que Androláctea será uma elíptica, é mais provável que a estrutura espiral da Via Láctea e de Andrômeda seja mantida. Mas e quanto aos seus respectivos buracos negros supermassivos centrais? Eles também vão colidir e se fundir em um buraco negro “ultramassivo”?

Simulação de interação entre dois buracos negros (Imagem: Reprodução/Goddard Space Flight Center/Schnittman/Brian P. Powell)
Simulação de interação entre dois buracos negros (Imagem: Reprodução/Goddard Space Flight Center/Schnittman/Brian P. Powell)

Desde a primeira detecção de ondas gravitacionais no universo, os cientistas conseguiram encontrar diversas fusões entre dois buracos negros, todos de massa estelar, formados inicialmente através do colapso de uma estrela mais massiva que o Sol. Já foram confirmadas 60 fusões detectadas, mas nenhuma delas envolve um buraco negro supermassivo.

Isso pode parecer um pouco óbvio, porque colisões entre galáxias não é algo que se vê todos os dias, então é de esperar que a colisão entre esses buracos negros centrais seja algo raro. Mas isso nos leva a questionar se há ao menos alguma chance de ocorrer uma fusão entre dois supermassivos, em algum lugar do cosmos, em algum momento na história do universo. Se considerarmos as probabilidades e a física gravitacional, concluiremos que tal fusão é muito improvável de acontecer.

Simulações mostram que, quando duas galáxias se fundem, seus buracos negros ficarão estagnados em algum lugar e não se fundirão. Os astrônomos deram até um nome para isso: problema parsec final. Trata-se de um dos grandes paradoxos da astronomia, ainda sem uma solução conclusiva, e envolve alguns conceitos como energia orbital, radiação gravitacional e atrito dinâmico. Calma, explicamos direitinho.

Atrito dinâmico e decaimento da energia orbital

As colisões entre buracos negros já detectadas envolvem objetos que eram, originalmente, estrelas binárias orbitando entre si. As ondas gravitacionais retiram parte da energia cinética dos buracos negros, resultando em decaimento orbital (Imagem: Reprodução/Raúl Rubio/The Virgo Collaboration)
As colisões entre buracos negros já detectadas envolvem objetos que eram, originalmente, estrelas binárias orbitando entre si. As ondas gravitacionais retiram parte da energia cinética dos buracos negros, resultando em decaimento orbital (Imagem: Reprodução/Raúl Rubio/The Virgo Collaboration)

Quando vemos imagens de fusão entre duas galáxias, a impressão que temos é que seus núcleos se encontram para formar o núcleo da nova galáxia. Pela lógica, o buraco negro de cada núcleo também deve se encontrar com sua contraparte, afinal, eles são grandes, supermassivos e com força gravitacional o suficiente para se atraírem mutuamente.

Mas temos que ter em mente algumas coisas, como o fato de buracos negros serem extremamente densos, e isso significa que não são exatamente grandes. Mesmo os supermassivos, com massa de milhões, ou mesmo bilhões de vezes a massa do Sol, têm raio aproximado de algumas centenas de UA (unidades astronômicas, que correspondem à distância entre a Terra e o Sol). Isso é menor que o Sistema Solar, que, considerando a nuvem de Oort, tem cerca de 10 mil UA.

Pense agora nas distâncias que afastam as estrelas. O Sol, por exemplo, tem como vizinha mais próxima à estrela Proxima Centauri, localizada a 4,22 anos-luz de distância. Se um buraco negro supermassivo surgisse por lá, não haveria muita possibilidade de interação com o Sistema Solar. Na verdade, as órbitas continuariam as mesmas.

No caso da fusão entre galáxias, também é muito improvável que seus respectivos buracos negros centrais se coloquem frente a frente. É muito mais provável que eles passem um pelo outro em trajetórias hiperbólicas, sem uma aproximação considerável. Tal aproximação só poderia realmente acontecer se algum mecanismo entrar em ação.

O mecanismo mais importante é chamado atrito dinâmico. É o fenômeno que transfere energia cinética de corpos massivos em órbita — no caso, dois buracos negros — para qualquer matéria próxima, como estrelas, gás ou poeira. Conforme um buraco negro passa por uma estrela, por exemplo, o “estilingue” gravitacional acelera a estrela enquanto, ao mesmo tempo, desacelera o buraco negro.

Isso poderia desacelerar os dois buracos negros supermassivos o suficiente para que se aproximar até formar um sistema binário. O atrito dinâmico continuaria em ação, ejetando poeira e gás circunvizinhos, roubando a energia orbital da dupla de supermassivos até que eles orbitem a poucos parsecs um do outro. É aqui onde temos o paradoxo: o mesmo atrito dinâmico que aproximou os buracos negros, também vai ejetar toda a matéria que estiver no caminho orbital deles.

Em certo ponto, haverá tão pouca matéria perto dos buracos negros, que o efeito estilingue será insuficiente para aproximá-los. Por isso, de acordo com as simulações, uma fusão entre supermassivos levaria muito mais tempo que a própria idade do universo. Existem outros efeitos, como as ondas gravitacionais que podem causar perda significativa de energia orbital, aproximando os buracos negros — mas, outra vez, não o suficiente.

O problema parsec final

Um diagrama evolutivo que descreve uma fusão entre duas galáxias (Imagem: Reprodução/Nasa/Esa/Hubble/E A. Evans/Nrao/K. Noll/J. Westphal)
Um diagrama evolutivo que descreve uma fusão entre duas galáxias (Imagem: Reprodução/Nasa/Esa/Hubble/E A. Evans/Nrao/K. Noll/J. Westphal)

Então, qual é a distância para que os supermassivos possam, finalmente, colidir? Não muito mais que 0,01 anos-luz — aproximadamente 633 unidades astronômicas, lembrando que isso é bem menos que o raio do Sistema Solar. Imagine: os dois buracos negros supermassivos precisariam viajar em uma órbita que os levasse a um encontro equivalente à distância entre o Sol e objetos transnetunianos. Nenhum dos mecanismos — atrito dinâmico e perda de energia orbital — consegue aproximar buracos negros dessa forma.

De acordo com simulações, os buracos negros supermassivos de galáxias em colisão primeiro aceleram, em velocidades tão altas que correm o risco de serem ejetados da galáxia resultante da fusão. O atrito dinâmico até pode colocar um freio nesse percurso, forçando os objetos a uma órbita em direção ao centro. Na melhor das hipóteses, eles ficam a cerca de 0,1 anos-luz um do outro, o que é muito perto, mas ainda muito longe do 0,01 anos-luz necessário para que comecem a espiralar rumo à fusão.

Mas se é assim, onde estão os buracos negros supermassivos das galáxias que já se fundiram? Por que os astrônomos só encontram evidências de apenas um? Talvez só teremos respostas para essas perguntas quando o problema do último parsec for resolvido, mas há algumas hipóteses. Por exemplo, talvez nossa tecnologia seja apenas insuficiente para encontrar os buracos negros supermassivos binários, se é que eles existem. Há um bom candidato, no quasar PKS 1302-102, onde os astrônomos suspeitam que haja dois buracos negros supermassivos separados por uma distância de 0,1 parsec.

Ainda é insuficiente para saber se haverá uma colisão no quasar PKS 1302-102, mas ele parece ser o resultado de uma fusão de galáxias de 3,3 bilhões de anos. Se este for o caso, o quasar será um importante objeto de estudo para a área de ondas gravitacionais e os estudos do problema parsec final. No entanto, teremos que esperar os instrumentos de próxima geração, a serem lançados ao longo da década, para que os astrônomos consigam coletar os dados necessários para chegar a uma conclusão definitiva.

Fonte: Canaltech

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