A 7,5 bilhões de anos-luz da Terra, dois buracos negros, giraram rapidamente um ao outro várias vezes por segundo antes de se chocarem em uma explosão cataclísmica que enviou ondas de choque pelo Universo. Normalmente, uniões violentas como essa são eventos sombrios, mas os astrônomos acham que viram uma labareda de luz emergir dessa dança celestial – potencialmente a primeira vez que uma luz foi vista pela fusão de buracos negros.
É uma descoberta única, já que os buracos negros são notórios por não produzirem nenhuma luz. Esses objetos super densos são tão grandes que nada pode escapar de sua atração gravitacional – nem mesmo a luz. Então, como exatamente os pesquisadores viram uma labareda de dois buracos negros que não deveriam queimar?
Bem, os buracos negros podem estar no lugar certo na hora certa, de acordo com um novo estudo publicado na revista Physical Review Letters. Quando eles giraram juntos, eles estavam localizados dentro de um disco gigante de gás e poeira. Este disco de material abrange anos-luz e, na verdade, envolve um terceiro buraco negro – um supermassivo no centro de uma galáxia. Como os buracos negros em duelo estavam dentro desse ambiente empoeirado, a rotação e eventual fusão criaram algo como uma onda de choque que atingiu a terra e o gás ao redor. Isso aqueceu o material próximo, fazendo com que brilhasse mais que o normal – e permitindo que os pesquisadores da Terra o localizassem.
“Se dois buracos negros se fundem, você não espera ver nada”, diz Matt Graham, professor de astronomia da Caltech e principal autor do estudo. “Mas como os buracos negros estão cercados por esse material, por esse disco de acréscimo, isso é diferente”.
Os pesquisadores identificaram esse evento excêntrico com a ajuda da colaboração LIGO-Virgo, uma parceria científica internacional que se tornou cada vez mais hábil na detecção de eventos cataclísmicos, como a fusão de buracos negros. Mais especificamente, LIGO e Virgo procuram pequenas ondulações no tecido do Universo, conhecidas como ondas gravitacionais, que se originam de eventos celestes distantes. Sempre que dois objetos maciços no universo distante se fundem, eles criam ondas ondulantes no tecido do espaço e do tempo que viajam para fora na velocidade da luz. Quando atingem a Terra, essas ondulações são muito pequenas, mas os dois observatórios do LIGO nos EUA e o observatório de Virgo na Itália são sensíveis o suficiente para buscá-las.
O LIGO fez história em 2015, quando a colaboração detectou ondas gravitacionais pela primeira vez a partir da fusão de dois buracos negros. Desde então, o LIGO e agora o Virgo, que entraram em operação em 2017, vêm intensificando seus currículos, detectando uma série de fusões em todo o Universo, incluindo buracos negros, estrelas de nêutrons e talvez até um buraco negro colidindo com um nêutron Estrela. Quando estrelas de nêutrons colidem, as fusões às vezes podem ser observadas por observatórios que medem sua luz, mesmo que os objetos sejam realmente fracos. Quando os buracos negros colidem, não é algo que possamos ver – até talvez agora. “É um evento estranho e maravilhoso, e na verdade não sabemos o quão raros eles são”, diz Chiara Mingarelli, professora assistente da Universidade de Connecticut, que estuda ondas gravitacionais, que não participou do estudo.
Para encontrar esse problema, Graham e seus colegas aproveitaram o triunfo do LIGO ao encontrar fusões no espaço para ajudá-los a resolver um quebra-cabeça. Graham e sua equipe estudam buracos negros supermassivos realmente ativos em galáxias – conhecidas como quasares – e eles estavam percebendo uma tendência estranha. Às vezes, esses quasares brilhavam inesperadamente, brilhando super brilhantes sem aviso, e eles queriam saber o porquê. “E nós meio que dissemos: ‘Bem, eu me pergunto o que acontece se você tivesse buracos negros nesse ambiente?’”, Diz Graham.
Dois dos colegas de Graham, Saavik Ford e Barry McKernan, publicaram um artigo teorizando que os buracos negros que se fundem nesses discos gasosos podem causar os misteriosos surtos. “A ideia de que possa haver buracos negros no centro das galáxias, muito perto de um buraco negro supermassivo, é realmente bastante incontroversa”, diz Ford, acrescentando: “[sentamos] para pensar sobre as consequências disso e começamos a elaborar uma teoria que temos buscado na última década. ”
Eles então decidiram colocar essa teoria à prova. Em 2019, o LIGO fez uma terceira execução observacional, procurando uma nova safra de fusões no espaço. Enquanto isso, Graham e seus colegas estavam trabalhando no Zwicky Transient Facility da Caltech, que realiza uma pesquisa em todo o céu noturno, procurando um comportamento estranho – como explosões em galáxias distantes. Os astrônomos decidiram esperar cerca de seis meses após o término das observações do LIGO para ver quantas fusões a colaboração detectou. Eles então tentaram combinar essas fusões com as explosões que haviam detectado com a ZTF, para ver se alguma delas correspondia.
Depois que eles obtiveram todas as fusões em potencial da LIGO e da Virgo, era apenas uma questão de restringir tudo. Eles combinaram todas as explosões que haviam visto com a ZTF com as fusões que a LIGO havia detectado, certificando-se de que correspondiam à parte certa do céu, à distância certa da Terra. A equipe também olhou para o tempo; eles previram que um surto causado por uma fusão ocorreria cerca de 60 a 100 dias após a colisão, pois levaria tempo para que as coisas esquentassem e causassem esse brilho. Eles então se certificaram de que as labaredas que encontravam correspondessem ao perfil certo que esperavam, e não parecia ter sido causado por uma estrela explodindo ou por alguma outra explicação.
Isso levou Graham e sua equipe à fusão de buracos negros que encontraram. E, na verdade, encontrar algo sobre o qual teorizaram foi bastante emocionante. “É o tipo de coisa com que você sonha como cientista”, diz Ford, “dizer: ‘Eu acho que o universo fará isso. Eu vou dar o meu tiro. E diga ao Universo: ‘Sim, aqui está você!’ ”
No entanto, as coisas ainda não estão totalmente confirmadas ainda. A fusão de buracos negros detectada pelo LIGO-Virgo ainda é apenas uma candidata; não foi oficialmente nomeado como uma fusão e o LIGO não divulgou dados detalhados sobre a detecção. Mas a boa notícia é que a equipe de Graham pode obter uma verificação extra no futuro de que o surto que eles gravaram realmente veio de buracos negros em turbilhão. Quando os buracos negros se fundiram, é provável que o buraco negro resultante que foi formado tenha sido expulso do disco empoeirado. No entanto, esse buraco ainda está orbitando em torno do buraco negro supermassivo no centro da galáxia, e provavelmente cruzará o caminho do disco quente de gás em um ano ou dois, aquecendo o material e causando outro brilho intenso. Então, se a equipe vê outro brilho na mesma galáxia,
Quando isso acontece, a medição do flare pode ajudar a equipe a aprender mais sobre esta galáxia e restringir melhor o quão massivo é o buraco negro supermassivo no centro. “Ele realmente nos permitirá investigar diretamente esses discos em torno de buracos negros supermassivos de maneiras que nós não podíamos fazer antes”, diz Mingarelli.
Essa descoberta também dá aos astrônomos outra pista sobre como algumas galáxias distantes se formam. Diz-lhes que pode haver objetos estranhos fazendo coisas estranhas nos discos que cercam buracos negros supermassivos. “Não é apenas um grande disco de gás caindo em um buraco negro supermassivo”, diz Graham. “Você tem estrelas e buracos negros lá fazendo as coisas também.”
Além disso, essa dança bizarra de buracos negros dentro de um disco gasoso gigante pode ser a única maneira de realmente “ver” buracos negros se fundindo no espaço profundo. E isso é ainda mais informações que os pesquisadores podem usar para estudar o cosmos. “Agora, na verdade, temos essa sonda, tanto da assinatura eletromagnética quanto da onda gravitacional – ambas fornecem informações”, diz Ford. “É uma ferramenta totalmente nova e totalmente diferente para estudar como as galáxias devem ser do jeito que são.”
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