Explicado o estranho sinal de buracos negros em colisão

Emaranhados pela gravidade e destinados a uma fusão, dois candidatos a buraco negro numa galáxia distante parecem estar numa dança intricada.

© U. de Columbia (simulação do estranho sinal de luz oriundo de um par coeso de buracos negros)

Pesquisadores usando dados do GALEX (Galaxy Evolution Explorer) e do telescópio espacial Hubble obtiveram a confirmação mais convincente, até agora, para a existência de buracos negros em fusão e encontraram novos detalhes sobre o seu estranho e cíclico sinal de luz.

Os candidatos a buraco negro, com o nome PG 1302-102, foram identificados pela primeira vez no início deste ano usando telescópios terrestres. Estes buracos negros são o par orbital mais íntimo já detectado até agora, com uma separação não muito maior que o diâmetro do nosso Sistema Solar. Espera-se que colidam e entrem em fusão daqui a menos de um milhão de anos, provocando uma explosão titânica equivalente a 100 milhões de supernovas.

Os cientistas estão estudando este par para melhor compreender como as galáxias e os buracos negros gigantes nos seus núcleos se fundem, uma ocorrência comum no Universo jovem. Mas apesar da frequência desses eventos, são difíceis de detectar e confirmar.

O PG 1302-102, localizado a 3,5 bilhões de anos-luz de distância, é um de apenas um punhado de bons candidatos a buraco negro duplo. Foi descoberto e anunciado no início deste ano por pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Califórnia em Pasadena, EUA, depois de terem examinado um estranho sinal de luz proveniente do centro de uma galáxia. Foram utilizados os telescópios do CRTS (Catalina Real-Time Transient Survey), possibilitando demonstrar que o sinal varia provavelmente devido ao movimento de dois buracos negros, que giram um em torno do outro a cada cinco anos. Embora os buracos negros, propriamente ditos, não emitam luz, o material em torno deles emite.

Foi encontrado no novo estudo mais evidências para suportar e confirmar a dança íntima destes buracos negros. Usando dados ultravioletas do GALEX e do Hubble, foi possível acompanhar as mudanças nos padrões de luz do sistema ao longo dos últimos 20 anos.

"Tivemos a sorte de ter dados do GALEX para estudar," afirma David Schiminovich, da Universidade de Columbia em Nova Iorque. "Voltamo-nos para os arquivos do GALEX e descobrimos que o objeto tinha sido observado seis vezes."

O Hubble observa no visível e em outros comprimentos de onda, particularmente o ultravioleta. Curiosamente, também já tinha observado o objeto no passado.

A luz ultravioleta foi importante para testar uma previsão de como os buracos negros geram um padrão cíclico de luz. A ideia é que um dos buracos negros do par está emitindo mais luz, está devorando mais matéria do que o outro e este processo aquece a matéria e emite luz energética. À medida que este buraco negro orbita o seu parceiro a cada cinco anos, a sua luz muda e parece aumentar de brilho quando se dirige na nossa direção.

"É como se uma lâmpada de 60 watts de repente se transformasse numa de 100 watts," explica Daniel D'Orazio, autor principal do estudo da Universidade de Columbia. "À medida que o buraco negro se desloca na direção contrária à nossa, a lâmpada de 60 watts transforma-se numa de 20 watts."

O que está provocando estas mudanças na luz? Um conjunto de alterações tem a ver com o efeito do "desvio para o azul", no qual a luz é espremida para comprimentos mais curtos à medida que viaja na nossa direção, do mesmo modo que a sirene de uma ambulância apita em frequências mais altas quando se dirige na nossa direção. Outra razão tem a ver com a enorme velocidade do buraco negro.

O buraco negro mais brilhante, na verdade, está viajando quase a 7% da velocidade da luz, em outras palavras, muito depressa. Embora o buraco negro demore cinco anos para orbitar o companheiro, está trafegando com distância enormes. Seria como se um buraco negro desse a volta ao nosso Sistema Solar estando à distância da Nuvem de Oort, em apenas cinco anos. A velocidades tão elevadas como esta, conhecidas como velocidades relativísticas, a luz torna-se mais brilhante.

D'Orazio e colegas modelaram este efeito com base num artigo anterior e previram o seu aspeto no ultravioleta. Determinaram que, se o aumento e a diminuição periódica de brilho, anteriormente vista no visível, fosse devido a um efeito de reforço relativístico, então o mesmo comportamento periódico deveria estar presente em comprimentos de onda ultravioleta, mas ampliados 2,5 vezes. A luz ultravioleta do GALEX e do Hubble coincidiu com as suas previsões.

"Estamos fortalecendo as nossas ideias sobre o que está ocorrendo neste sistema e começando a compreendê-lo melhor," comenta Zoltán Haiman, que concebeu o projeto e também da Universidade de Columbia.

Os resultados vão também ajudar os pesquisadores a compreender como encontrar buracos negros em fusão ainda mais íntimos, o que alguns consideram como o Santo Graal da física e a busca por ondas gravitacionais. Prevê-se que, nos momentos derradeiros que antecedem a união final entre dois buracos negros, quando giram muito próximos entre si como patinadores numa "espiral da morte", criem ondulações no espaço e no tempo. Chamadas ondas gravitacionais, cuja existência decorre da teoria da gravidade de Albert Einstein publicada há 100 anos atrás, contêm pistas sobre o tecido do nosso Universo.

Os resultados também são uma porta de entrada para a compreensão de outros buracos negros em fusão pelo Universo, uma população que só agora começa a abrir mão dos seus segredos.

O novo estudo foi publicado ontem na revista Nature.

Fonte: Jet Propulsion Laboratory