Descobertas atuais sugerem a existência de um buraco negro supermassivo no centro de quase todas as grandes galáxias, com uma massa milhões ou mesmo milhares de milhões de vezes superior à do nosso Sol. Ainda não se sabe ao certo como é que conseguem atingir massas tão grandes. A simples acreção do gás da área circundante demoraria demasiado tempo, pelo que é provável que tenham de se fundir com outros buracos negros massivos. Já foram observadas colisões de galáxias em todo o nosso Universo. É, portanto, muito provável que os buracos negros supermassivos no centro destas galáxias em colisão também se fundam, primeiro orbitando-se cada vez mais perto e, por fim, fundindo-se num só.

Um revelador feixe de partículas

No entanto, os modelos teóricos ainda não conseguem descrever com precisão esta fase final. Para complicar ainda mais as coisas, ainda não foi detetado de forma fiável nenhum par íntimo de buracos negros massivos, apesar de as colisões entre galáxias serem comuns em escalas cósmicas de tempo. Uma equipa internacional liderada por Silke Britzen, do Instituto Max Planck de Radioastronomia em Bona, Alemanha, encontrou evidências diretas da existência de um par deste tipo no centro de Markarian 501. O seu trabalho foi aceite para publicação na revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society e aparecerá numa próxima edição.

O buraco negro no centro de Markarian 501 ejeta para o espaço um poderoso jato de partículas que viajam quase à velocidade da luz. Para o estudo, a equipa analisou observações de alta resolução da região. Estas abrangem várias frequências de rádio e foram recolhidas ao longo de dúzias de dias, num período de aproximadamente 23 anos. Estes dados de longo prazo revelam não só um único jato, mas também um segundo. Trata-se da primeira imagem direta de um sistema deste tipo no centro de uma galáxia e uma indicação clara da existência de um segundo buraco negro supermassivo. "Procurámos durante tanto tempo e foi uma surpresa total não só poder ver um segundo jato, mas também acompanhar o seu movimento", relata Silke Britzen.

Dança íntima de buracos negros

O primeiro jato aponta para a Terra, razão pela qual nos parece particularmente brilhante e é conhecido há muito tempo. O segundo jato está orientado de forma diferente e foi, por isso, mais difícil de detetar. Ao longo de um período de apenas algumas semanas, os astrónomos observaram mudanças significativas: o segundo jato começa atrás do buraco negro maior e move-se, à sua volta, no sentido contrário ao dos ponteiros do relógio. Este processo repete-se. "Avaliar os dados foi como estar num navio. Todo o sistema de jatos está em movimento. Um sistema de dois buracos negros pode explicar isto: o plano orbital oscila", explica Silke Britzen. Num dia de observação em junho de 2022, a radiação emitida pelo sistema chegou até nós por um percurso tão sinuoso que parecia ter a forma de um anel - o chamado anel de Einstein. Uma explicação consistente com a interpretação de um sistema binário de buracos negros seria que o sistema estava perfeitamente alinhado com a Terra. A lente gravitacional do buraco negro conhecido em frente moldou então a luz do segundo jato por detrás.

A representação gráfica mostra a região central da galáxia Markarian 501 a uma frequência de 43 gigahertz em três dias diferentes. Os contornos indicam a intensidade da emissão, enquanto os círculos cinzentos assinalam regiões brilhantes dentro do jato, identificadas através de cálculos de modelos. É possível acompanhar o movimento dos jatos observando a evolução destas regiões. O jato anteriormente conhecido (Jato 1, linha laranja) que aponta para a Terra é claramente visível. O segundo jato recém-descoberto (Jato 2, azul) alterou o seu aspeto no espaço de algumas semanas. Ambos os fluxos de partículas têm origem próximos um do outro, no núcleo da galáxia. A posição do buraco negro (BH) associado ao Jato 1 está marcada com uma seta. Crédito: S. Britzen

Ao analisar a evolução ao longo do tempo e os padrões recorrentes no brilho dos jatos, os investigadores conseguiram deduzir que os dois buracos negros se orbitam um ao outro com um período de aproximadamente 121 dias. Estão separados por uma distância cerca de 250 a 540 vezes superior à distância entre a Terra e o Sol - uma distância minúscula para objetos tão extremos, com massas entre 100 milhões e mil milhões de vezes a do Sol. Dependendo das suas massas reais, a distância entre eles poderia diminuir tão rapidamente que poderiam fundir-se em apenas 100 anos.

Contagem decrescente para o final

Devido à grande distância entre a galáxia Markarian 501 e a Terra, nem mesmo os métodos de observação mais avançados conseguem captar os dois buracos negros como objetos separados. Nem mesmo o EHT (Event Horizon Telescope), que nos forneceu as primeiras imagens de buracos negros em 2019 e 2022, é suficientemente potente. A órbita cada vez mais pequena do par em Markarian 501 não será, portanto, diretamente observável. No entanto, os cientistas esperam encontrar evidências claras da separação cada vez menor entre os dois buracos negros: o sistema deverá emitir ondas gravitacionais em frequências muito baixas, que poderão ser detetadas utilizando redes de temporização de pulsares.

Os sistemas binários de buracos negros supermassivos já constituem a explicação mais provável para o fundo de ondas gravitacionais observado, cujas evidências foram encontradas em 2023 pela EPTA (European Pulsar Timing Array) e por outras instituições. Markarian 501 é agora uma das principais candidatas para atribuir a emissão de ondas gravitacionais, medida com as redes de temporização de pulsares, a um sistema binário específico de buracos negros supermassivos. "Se forem detetadas ondas gravitacionais, poderemos até ver a sua frequência aumentar de forma constante à medida que os dois gigantes espiralam para a colisão, oferecendo uma oportunidade rara de assistir ao desenrolar de uma fusão de buracos negros supermassivos", salienta o coautor Héctor Olivares.

// Sociedade Max Planck (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)

Quer saber mais?

Buraco negro supermassivo:
Wikipedia

Markarian 501:
Wikipedia

Lentes gravitacionais:
Wikipedia
Anel de Einstein (Wikipedia)

Rede de temporização de pulsares:
Wikipedia

EPTA (European Pulsar Timing Array):
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