Aproximadamente duas vezes em cada 12 anos, a 3,5 mil milhões de anos-luz de distância, a luz equivalente a mil milhões de sóis brilha no céu noturno e depois desaparece nos meses seguintes. É um fenómeno que os astrónomos têm vindo a documentar desde o final da década de 1880, com origem numa galáxia conhecida como OJ 287. Durante mais de 40 anos, os astrónomos atribuíram este comportamento explosivo estranhamente regular a um par de buracos negros extremamente massivo em rota de colisão. Em teoria, é de esperar que os pares binários supermassivos sejam comuns - mas este é o único sistema em que há evidências claras da existência de um.

"Pares binários supermassivos como este proporcionam uma rara oportunidade para investigar como as galáxias se fundem e crescem ao longo do tempo", diz Sean Ressler, investigador no CITA (Canadian Institute for Theoretical Physics). Ressler liderou um artigo científico publicado recentemente na revista The Astrophysical Journal Letters que apresenta as primeiras simulações de sempre de OJ 287. Os seus três coautores incluem Luciano Combi, bolseiro do CITA no Instituto Perimeter e na Universidade de Guelph, Bart Ripperda do CITA e Xinyu Li, da Universidade de Tsinghua.

Para além das estimativas com "papel e caneta"

No caso do par OJ 287, o buraco negro primário é um dos maiores conhecidos, com cerca de 18 mil milhões de vezes a massa do Sol. Está rodeado por um disco de gás que cai em direção ao seu horizonte de eventos. O buraco negro secundário, com apenas 150 milhões de vezes a massa do Sol, colide repetidamente com este disco, criando uma explosão de luz.

É uma explicação que se baseia sobretudo em estimativas simples, feitas com "papel e caneta", da forma como os buracos negros interagem com o gás circundante. Combi refere que o trabalho da equipa apresenta as primeiras simulações de sempre de OJ 287 como um todo. Ao contrário de estimativas anteriores, o seu trabalho conseguiu estudar a forma como o disco reage às colisões repetidas, como o gás ejetado interage com o buraco negro secundário e como o buraco negro secundário torce e amplia os campos magnéticos que rodeiam o disco para impulsionar fluxos.

"Estas simulações têm em conta a complicada interação entre a gravidade extrema, a eletrodinâmica e a dinâmica dos fluidos, de modo a testar rigorosamente se o modelo pode ou não explicar as explosões observadas", diz Combi. "Esta é a primeira vez que o gás (que produz a luz) em torno do buraco binário é simulado na sua totalidade".

Imagens e animações baseadas em simulações

A equipa utilizou as suas simulações para criar animações baseadas em conhecimentos físicos fundamentais que dão verdadeira vida ao sistema que está no centro de OJ 287.

"Durante anos, a ideia de um buraco negro de massa mais pequena a colidir com o disco de um buraco negro de massa maior inspirou visualizações e representações artísticas deslumbrantes, mas agora temos algumas animações convincentes que se baseiam em cálculos mais complexos", diz Ressler.

As simulações confirmam, em geral, a ideia de que a colisão do buraco negro secundário com o disco pode gerar energia suficiente para explicar o surto observado de luz. As colisões também modificam a estrutura do disco, deformando-o e criando padrões espirais transientes que caem para dentro.

"Estes cálculos devem ser tratados como um primeiro passo para simulações totalmente realistas", diz Ressler. "Ainda temos de incluir os efeitos da forma como os flashes de luz são produzidos e depois são curvados pela gravidade extrema dos buracos negros. Também fizemos algumas simplificações para tornar as simulações mais viáveis, mas no final esperamos eliminar estas simplificações e ter em conta o comportamento da luz. Este é um passo em direção a uma imagem totalmente coerente do sistema".

A ligação com as ondas gravitacionais

Devido ao facto de a gravidade em torno destes dois buracos negros massivos ser tão intensa, também causam ondulações no espaço e no tempo, chamadas ondas gravitacionais. Embora isto acabe por os levar a uma colisão total, tal só acontecerá daqui a 10.000 anos. Entretanto, há um esforço para detetar estas ondulações através da monitorização de um conjunto de estrelas pulsantes, de nome rede de temporização de pulsares, que funcionam como relógios cósmicos. Com a próxima geração de radiotelescópios, a sensibilidade com que se pode monitorizar as mudanças no espaço e no tempo com os conjuntos de pulsares irá eventualmente aumentar de tal forma que poderá captar as ondas gravitacionais emitidas pelo sistema OJ 287.

Como refere Bart Ripperda, membro do CITA, "a combinação da informação que obteríamos destas ondas gravitacionais com a informação que obtemos dos telescópios tradicionais levará a grandes avanços na nossa compreensão da gravidade, dos buracos negros e da forma como as galáxias crescem ao longo do tempo. As simulações realistas serão cruciais para prever as assinaturas eletromagnéticas da física do plasma perto do horizonte de eventos".

// CITA (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (The Astrophysical Journal Letters)
// Simulações de sistemas como OJ 287 (Sean Ressler via YouTube)

Quer saber mais?

OJ 287:
Wikipedia

Buraco negro binário:
Wikipedia