Astrônomos da Universidade de Oxford e do Instituto Max Planck de Física Gravitacional (Instituto Albert Einstein) delinearam uma nova estratégia para detectar um dos objetos mais evasivos do universo: pares fortemente ligados de buracos negros supermassivos.
Espera-se que essas duplas gigantes de buracos negros se formem naturalmente após a fusão de galáxias. Embora os astrónomos tenham identificado alguns pares de buracos negros supermassivos distantes uns dos outros, encontrar aqueles que orbitam muito mais próximos revelou-se muito mais difícil.
Num estudo publicado em Revisão de planilhas físicasos pesquisadores sugerem procurar um sinal distinto. À medida que os buracos negros orbitam entre si, a sua imensa gravidade pode multiplicar a luz das estrelas atrás deles, criando explosões periódicas que podem revelar sistemas ocultos.
A fusão de galáxias cria binários de buracos negros supermassivos
No centro da maioria das galáxias existe um buraco negro supermassivo. Quando as galáxias colidem e eventualmente se fundem, os seus buracos negros centrais podem ficar ligados gravitacionalmente, formando o que os cientistas chamam de buraco negro supermassivo binário.
Esses sistemas são importantes para compreender como as galáxias evoluem ao longo do tempo. Espera-se que criem algumas das ondas gravitacionais mais fortes do universo.
Os futuros observatórios de ondas gravitacionais baseados no espaço deverão ser capazes de detectar esses binários diretamente. No entanto, novas pesquisas sugerem que os astrônomos talvez não precisem esperar. As pesquisas do céu existentes e futuras podem potencialmente identificá-los pelos seus efeitos na luz visível.
“Os buracos negros supermassivos agem como telescópios naturais”, disse o Dr. Miguel Zumalacorregui, do Instituto Max Planck de Física Gravitacional. “Devido à sua enorme massa e tamanho compacto, elas curvam fortemente a luz que as atravessa. A luz estelar da mesma galáxia hospedeira pode ser focada em imagens invulgarmente brilhantes, um fenómeno conhecido como lente gravitacional.”
Como as lentes gravitacionais criam flashes brilhantes
Um único buraco negro supermassivo pode ampliar dramaticamente a estrela de fundo, mas apenas se o alinhamento for quase perfeito.
O sistema binário se comporta de maneira diferente. Com dois buracos negros agindo como lentes gravitacionais, a área onde a ampliação extrema pode ocorrer torna-se muito maior. O par cria uma característica em forma de diamante conhecida como curva cáustica, onde as estrelas podem parecer muito mais brilhantes.
Em teoria, uma estrela perfeitamente pontual pode ser ampliada infinitamente. Na realidade, o tamanho finito das estrelas limita o quão brilhante o efeito pode se tornar.
“As chances de uma forte amplificação da luz estelar aumentam muito para um sistema binário em comparação com um único buraco negro”, disse o professor Bence Kochis, do Departamento de Física da Universidade de Oxford e coautor do estudo.
Explosões estelares repetidas podem revelar buracos negros ocultos
Ao contrário de um único buraco negro, um buraco negro binário está em constante mudança.
À medida que dois buracos negros orbitam um ao outro, perdem gradualmente energia emitindo ondas gravitacionais, um processo previsto pela teoria da relatividade geral de Einstein. Com o tempo, isso faz com que os buracos negros se aproximem e orbitem mais rapidamente.
O estudante de pós-graduação Hanxi Wang faz parte do grupo do professor Kocisch e está liderando a pesquisa: “Quando a curva binária se move, a curva cáustica gira e muda de forma, varrendo um grande volume de estrelas atrás dela. Quando uma estrela brilhante está nesta região, ela pode produzir um flash incomumente brilhante cada vez que o cáustico passa por ela. Isso resulta em flashes repetidos de luz estelar que fornecem uma assinatura clara e distinta de um buraco negro binário supermassivo.”
Dado que a estrutura cáustica está em constante mudança, as explosões resultantes ocorrerão repetidamente, criando um padrão reconhecível que os astrónomos poderão procurar.
Dicas sobre as massas e órbitas dos buracos negros
A equipe descobriu que o momento e a intensidade dessas explosões deveriam seguir tendências previsíveis, em vez de aparecerem aleatoriamente.
À medida que as ondas gravitacionais estreitam lentamente a órbita, elas mudam sutilmente a forma e o movimento da curva cáustica. Essas mudanças deixam sinais mensuráveis tanto no brilho quanto na frequência dos flashes.
Ao analisar estes padrões, os investigadores puderam estimar características importantes do sistema binário oculto, incluindo as massas dos buracos negros e os detalhes da sua evolução orbital.
Espera-se que novos observatórios poderosos, incluindo o Observatório Vera S. Rubin e o Telescópio Espacial Nancy Grace Rome, expandam dramaticamente a busca por estes eventos recorrentes de lentes nos próximos anos.
“A perspectiva de identificar binários inspiradores de buracos negros supermassivos anos antes de futuros detectores de ondas gravitacionais baseados no espaço entrarem em operação é extremamente emocionante”, conclui o professor Kocish. “Isto abre a porta para verdadeiros estudos multi-mensageiros de buracos negros, permitindo-nos testar a gravidade e a física dos buracos negros de uma forma totalmente nova.”
