Par de buracos negros supermassivos é descoberto

Um par de buracos negros supermassivos em órbita um do outro foi registrado pelo XMM-Newton.

© ESA/C. Carreau (ilustração de sistema binário de buracos negros supermassivos)

Essa é a primeira vez que um par tem sido observado numa galáxia ordinária. Eles foram descobertos pois estavam dilacerando uma estrela quando o observatório espacial estava focalizado na sua direção.

A maior parte das galáxias massivas no Universo provavelmente abrigam no mínimo um buraco negro supermassivo em seus centros. Dois buracos negros supermassivos são as evidências de que galáxias estão se fundindo. Assim, encontrar buracos negros supermassivos binários podem significar como as galáxias se desenvolvem nas formas e tamanhos atuais.

Até hoje, somente poucos candidatos a buracos negros supermassivos binários próximos foram encontrados. Todos eles, estão em galáxias ativas onde eles estão constantemente rompendo nuvens de gás, num prelúdio da colisão entre eles, que deve acontecer em algum momento.

No processo de destruição, o gás é aquecido a temperaturas tão altas que ele brilha em muitos comprimentos de onda, incluindo em raios X. Isso dá a galáxia um centro brilhante incomum, por isso são denominadas de galaxias ativas. A nova descoberta, reportada por Fukun Liu, da Universidade de Peking, em Beijing, na China e seus colegas, é importante pois ela é a primeira a encontrar esse tipo de interação em galáxias que não sejam ativas.

“Pode haver uma população inteira de galáxias quiescentes que abrigam buracos negros binários em seus centros”, disse o co-autor Stefanie Komossa, do Max-Plank-Institut für Radioastronomie, em Bonn, na Alemanha. Mas encontrá-los é uma tarefa difícil em galáxias quiescentes, não existem nuvens de gás alimentando os buracos negros, e assim os núcleos dessas galáxias são verdadeiramente escuros.

A única esperança que os astrônomos têm é olhar na direção certa no momento em que um buraco negro está destruindo uma estrela em pedaços. Esse tipo de ocorrência é chamada de “evento de ruptura de maré”. À medida que a estrela é puxada pela gravidade do buraco negro, ela emite um brilho de raios X.

Numa galáxia ativa, o buraco negro é continuamente alimentado pelas nuvens de gás. Numa galáxia quiescente, o buraco negro é alimentado pelos eventos de ruptura de maré que ocorrem esporadicamente e são impossíveis de serem previstos. Assim, para aumentar a chance de se observar um evento desses, os pesquisadores usam o observatório de raios X XMM-Newton da ESA de uma maneira nova.

Normalmente, o observatório coleta os dados de alvos designados, um por vez. Uma vez que ele completa a observação, ele passa para o próximo objeto da lista. O truque é que durante esse movimento, o XMM-Newton mantém os instrumentos focados e registrando. Efetivamente essa pesquisa do céu tem um padrão aleatório, produzindo dados que podem ser analisados em busca de fontes de raios X desconhecidas e inesperadas.

Em 10 de Junho de 2010, um evento de ruptura de maré foi registrado pelo XMM-Newton na galáxia SDSS J120136.02+300305.5. Komossa e seus colegas estavam escaneando os dados em busca desses eventos e programando observações subsequentes poucos dias depois com o XMM-Newton e com o satélite Swift da NASA.

A galáxia estava expelindo raios X no espaço. Se parecia exatamente como um evento de ruptura de maré causado por um buraco negro supermassivo, mas enquanto eles rastreavam a vagarosa emissão que se apagava dia após dia, algo estranho aconteceu.

Os raios X caíram abaixo dos níveis detectáveis entre os dias 27 e 48 depois da descoberta. Então eles reapareceram e continuaram a seguir uma taxa de queda mais esperada, como se nada tivesse acontecido.

Agora, graças a Fukun Liu, o comportamento pode ser explicado. “Isso é exatamente o que se espera de um par de buracos negros supermassivos, orbitando um ao redor do outro”, disse Liu.

Liu tem trabalhado em modelos de sistemas binários de buracos negros que previu uma repentina queda para a escuridão e então a recuperação do brilho pois a gravidade de um dos buracos negros corrompeu o fluxo de gás de outro, temporariamente privando-o do combustível necessário para gerar um brilho em raios X. Ele encontrou que duas configurações eram possíveis para reproduzir as observações da J120136.

Na primeira, o buraco negro primário continha 10 milhões de vezes a massa do Sol e estava orbitando um buraco negro de cerca de um milhão de vezes a massa do Sol em uma órbita elíptica. Na segunda solução, o buraco negro primário, tinha cerca de um milhão de vezes a massa do Sol e tinha uma órbita circular.

Em ambos os casos, a separação entre os buracos negros era relativamente pequena: cerca de 0,6 milliparsecs, ou algo em torno de 2 milionésimos de um ano-luz. Isso é aproximadamente a largura do Sistema Solar.

Sendo tão próximos, o destino desse par de buracos negros recém descoberto está selado. Eles irão irradiar sua energia orbital, gradativamente epiralando de forma conjunta, até cerca de 2 milhões de anos eles se fundirão em um único buraco negro.

Agora que os astrônomos encontraram seu primeiro candidato para um buraco negro binário, em uma galáxia quiescente, a pesquisa é mais do que inevitável. O XMM-Newton continuará sua vagarosa busca. Essa detecção também despertará o interesse numa rede de telescópios que pesquisem o céu como um todo em busca dos eventos de ruptura de maré.

“Uma vez que se detecte milhares de eventos de ruptura de maré, nós podemos começar a extrair estatísticas confiáveis sobre a taxa em que as galáxias se fundem”, disse Komossa.

Existe uma outra esperança para o futuro. Quando buracos negros binários se fundem, é previsto que eles lancem uma explosão massiva de energia no Universo, mas não na sua maioria em raios X. “A fusão final espera-se ser a fonte mais intensa de ondas gravitacionais no Universo”, disse Liu.

As ondas gravitacionais são ondas no contínuo espaço-tempo. Recentemente está sendo construído um novo tipo de observatório para detectar essas ondulações. A ESA também está envolvida em abrir essa nova janela no Universo. Em 2015, a ESA lançará a sonda LISA Pathfinder, que testará a tecnologia necessária para se construir um detector espacial de ondas gravitacionais. A pesquisa pelas elusivas ondas gravitacionais é também um tema para uma grande missão científica da ESA, a missão L3, no programa Cosmic Vision.

Por enquanto, o XMM-Newton continuará procurando pelos eventos de rompimento de maré que indicam a presença de candidatos a buracos negros supermassivos binários.

“O uso inovador das observações feitas com o XMM-Newton tornou possível a detecção dos sistemas binários de buracos negros supermassivos”, disse Norbert Schartel, ciientista de projeto do XMM-Newton da ESA. “Isso demonstra a importância de se manter por longos períodos observatórios espaciais que podem detectar eventos raros que potencialmente podem abrir novas áreas na astronomia”.

Fonte: ESA