Usando dados de arquivo do telescópio Gêmeos Norte, os astrônomos mediram o par de buracos negros supermassivos mais pesado já encontrado. A fusão de dois buracos negros supermassivos é um fenômeno há muito previsto, mas nunca observado. Este enorme par fornece pistas sobre por que tal evento parece improvável no universo.
Quase todas as galáxias massivas contêm um buraco negro supermassivo no seu centro. Quando duas galáxias se fundem, seus buracos negros podem formar um par binário, ou seja, estar em órbita ligada um ao outro. A hipótese é que esses pares binários estão destinados a se fundir com o tempo, mas isso nunca foi observado. A questão de saber se tal evento é possível tem sido um tema de debate entre os astrônomos há décadas.
Os astrônomos usaram dados do telescópio Gemini North no Havaí, que é metade do Observatório Internacional Gemini operado pelo NOIRLab do Instituto Nacional de Física, para analisar o buraco negro binário supermassivo localizado na galáxia elíptica B2 0402+379. É o único buraco negro binário supermassivo que foi visto com detalhes suficientes para ver ambos os objetos separadamente, e detém o recorde da distância mais curta medida diretamente, apenas 24 anos-luz. Embora uma distância tão próxima prenuncie uma fusão poderosa, uma investigação mais aprofundada revelou que o par está preso nesta distância há mais de três mil milhões de anos, o que levanta a questão: Qual é a razão para o atraso?
Para compreender melhor a dinâmica deste sistema e a sua fusão estagnada, a equipa recorreu a dados de arquivo do Gemini North Multi-Object Spectrograph (GMOS), que lhes permitiram determinar as velocidades das estrelas nas proximidades dos buracos negros.
“A notável sensibilidade do GMOS permitiu-nos mapear o aumento da velocidade das estrelas à medida que se aproximam do centro da galáxia”, disse Roger Romani, professor de física na Universidade de Stanford e co-autor do artigo. "Graças a isso, conseguimos tirar uma conclusão sobre a massa total dos buracos negros que existem."
A equipa estima que a massa do buraco negro binário é 28 mil milhões de vezes a do Sol, tornando o par o buraco negro binário mais pesado alguma vez medido. Esta medição não só fornece um contexto valioso para a formação do sistema binário e a história da sua galáxia hospedeira, mas também confirma a teoria de longa data de que a massa de um buraco negro binário supermassivo desempenha um papel fundamental no impedimento de uma potencial fusão.
“O arquivo de dados do Observatório Internacional Gemini contém uma mina de ouro de descobertas científicas inexploradas”, disse Martin Still, diretor do programa NSF para o Observatório Internacional Gemini. "Medir a massa deste buraco negro binário supermassivo é um exemplo impressionante do impacto potencial de novas pesquisas que examinam este rico arquivo."
Compreender como este binário se formou pode ajudar a prever se e quando irá fundir-se – várias pistas indicam que o par se formou a partir da fusão de múltiplas galáxias. Primeiro, B2 0402+379 é um “aglomerado fóssil”, isto é, o resultado da fusão de estrelas e gás de um aglomerado inteiro de galáxias em uma galáxia massiva. Além disso, a presença de dois buracos negros supermassivos, combinada com a sua grande massa combinada, sugere que se formaram a partir da fusão de vários buracos negros mais pequenos de galáxias diferentes.
Após uma fusão galáctica, os buracos negros supermassivos não colidem frontalmente. Em vez disso, eles começam a passar um pelo outro, estabelecendo-se em uma órbita limitada. A cada passagem, a energia é transferida dos buracos negros para as estrelas circundantes. Perdendo energia, o par se aproxima cada vez mais até ficarem separados por anos-luz, onde a radiação gravitacional assume o controle e eles se fundem. Este processo foi observado diretamente em pares de buracos negros de massa estelar – o primeiro caso foi registado em 2015 graças à deteção de ondas gravitacionais – mas nunca foi observado em sistemas supermassivos binários.
Com o novo conhecimento da massa extremamente grande do sistema, a equipe concluiu que seria necessário um número extremamente grande de estrelas para desacelerar a órbita do sistema binário o suficiente para aproximá-los. No processo, os buracos negros parecem ter ejetado quase toda a matéria ao seu redor, deixando o núcleo galáctico desprovido de estrelas e gás. Sem mais material para desacelerar ainda mais a órbita do par, a fusão deles estagnou em seus estágios finais.
“Galáxias com pares de buracos negros mais leves geralmente parecem ter estrelas e massa suficientes para convergir rapidamente”, diz Romani. “Como este par é tão pesado, são necessárias muitas estrelas e gás para realizar o trabalho. Mas o binário eliminou essa matéria da galáxia central, deixando-a congelada e disponível para o nosso estudo."
Ainda não se sabe se eles superarão a estagnação e eventualmente se fundirão em milhões de anos, ou permanecerão no limbo orbital para sempre. Se se fundirem, as ondas gravitacionais resultantes serão 100 milhões de vezes mais poderosas do que as produzidas pela fusão de buracos negros de massa estelar.
É possível que o par consiga ultrapassar esta distância final através de outra fusão galáctica, que insuflaria material adicional para o sistema, ou talvez um terceiro buraco negro, para abrandar a órbita do par o suficiente para que se fundisse. No entanto, dado o estatuto de B2 0402+379 como aglomerado fóssil, uma nova fusão de galáxias é improvável.
“Estamos ansiosos por mais estudos do núcleo do B2 0402+379, onde veremos quanto gás ele contém”, disse Tirth Surti, estudante de graduação de Stanford e principal autor do artigo. "Isto dar-nos-á mais informações sobre se os buracos negros supermassivos podem fundir-se ao longo do tempo ou se permanecerão como um sistema binário."
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