Astrônomos da Universidade de Oxford e do Instituto Max Planck de Física Gravitacional (Instituto Albert Einstein) propuseram uma nova estratégia para descobrir um dos objetos mais elusivos do universo: pares de buracos negros supermassivos fortemente ligados.
Espera-se que essas duplas gigantes de buracos negros se formem naturalmente após as fusões de galáxias. Embora os astrônomos tenham descoberto alguns pares de buracos negros supermassivos que estão mais distantes um do outro, encontrar aqueles que orbitam mais próximos tem se mostrado muito mais difícil.
Num estudo publicado em Cartas de revisão físicaos pesquisadores sugerem procurar sinais únicos. À medida que os buracos negros orbitam entre si, a sua imensa gravidade pode amplificar repetidamente a luz das estrelas atrás deles, criando repetidos flashes de luz que podem revelar sistemas ocultos.
Fusão de galáxias cria binário de buraco negro supermassivo
A maioria das galáxias tem um buraco negro supermassivo no centro. Quando as galáxias colidem e eventualmente se fundem, os seus buracos negros centrais tornam-se gravitacionalmente ligados, 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 também que produzam as 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, uma nova investigação sugere que os astrónomos poderão não ter de esperar. As pesquisas do céu existentes e futuras podem identificá-los através do seu impacto na luz visível.
“Os buracos negros supermassivos agem como telescópios naturais”, disse o Dr. Miguel Zumaracaregui, do Instituto Max Planck de Física Gravitacional. “Devido à sua enorme massa e tamanho compacto, elas curvam fortemente a luz que passa. A luz estelar da mesma galáxia hospedeira pode ser focada em imagens muito brilhantes, um fenômeno chamado lente gravitacional.”
Como as lentes de gravidade criam flashes de luz brilhantes
Um único buraco negro supermassivo pode amplificar bastante as estrelas de fundo, mas apenas se o arranjo for quase perfeito.
Os sistemas binários se comportam de maneira diferente. Como os dois buracos negros atuam como lentes gravitacionais, a região onde a ampliação extrema pode ocorrer torna-se maior. Este par de partículas cria uma característica em forma de diamante chamada curva cáustica, na qual as estrelas podem parecer mais brilhantes.
Em teoria, uma estrela pontual perfeita pode ser ampliada infinitamente. Na verdade, o tamanho limitado da estrela limita o brilho do efeito.
Bence Kocsis, co-autor do estudo e professor do Departamento de Física da Universidade de Oxford, disse: “A possibilidade de que a luz estelar de um sistema estelar binário seja grandemente amplificada em comparação com um único buraco negro é grandemente aumentada.”
Repetições de flashes estelares 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 através da emissão de ondas gravitacionais, um processo previsto pela teoria geral da relatividade 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, que faz parte do grupo do professor Kocsis e liderou a pesquisa: “À medida que o binário se move, a curva cáustica gira e muda de forma, varrendo um grande número de estrelas atrás dela. Se uma estrela brilhante estiver nesta região, ela produzirá um flash incomumente brilhante cada vez que os cáusticos passarem por ela. Isso resulta em repetidas explosões de luz estelar, que fornecem uma assinatura clara e distinta de binários de buracos negros supermassivos.”
Como a estrutura cáustica está em constante mudança, os flashes resultantes ocorrem repetidamente, formando padrões reconhecíveis que os astrónomos podem procurar.
Pistas sobre a massa e órbita do buraco negro
A equipe descobriu que o tempo e a intensidade desses flashes deveriam seguir tendências previsíveis, em vez de aparecerem aleatoriamente.
À medida que as ondas gravitacionais encolhem lentamente suas órbitas, elas mudam sutilmente a forma e o movimento dos cáusticos. Essas mudanças deixam assinaturas mensuráveis no brilho e na frequência dos flashes.
Ao analisar estes padrões, os investigadores podem estimar características importantes do binário oculto, incluindo a massa do buraco negro e detalhes da sua evolução orbital.
Espera-se que novos observatórios poderosos, incluindo o Observatório Vera C. Rubin e o Telescópio Espacial Nancy Grace Roman, expandam significativamente a busca por esses eventos repetidos de lentes nos próximos anos.
“A perspectiva de identificar binários de buracos negros supermassivos que respiram gás anos antes de futuros detectores de ondas gravitacionais baseados no espaço entrarem em operação é muito emocionante”, concluiu o professor Cocchis. “Isso abre a porta para verdadeiros estudos de buracos negros multi-mensageiros, permitindo-nos testar a gravidade e a física dos buracos negros de maneiras inteiramente novas.”
