Primeira deteção do buraco negro supermassivo secundário num sistema binário bem conhecido

Uma equipa internacional de astrónomos observou o segundo dos dois buracos negros supermassivos que se orbitam um ao outro na galáxia ativa OJ 287.

Os buracos negros supermassivos, que têm vários milhares de milhões de vezes a massa do nosso Sol, estão presentes nos centros das galáxias ativas. Os astrónomos observam-nos como núcleos galácticos brilhantes onde o buraco negro supermassivo da galáxia devora matéria de um violento remoinho chamado disco de acreção. Alguma da matéria é espremida para fora num poderoso jato. Este processo faz com que o núcleo galáctico brilhe intensamente em todo o espectro eletromagnético.

Num estudo recente, os astrónomos encontraram evidências da existência de dois buracos negros supermassivos a orbitarem-se um ao outro, através de sinais provenientes dos jatos associados à acreção de matéria em ambos os buracos negros. A galáxia, ou quasar, como é tecnicamente designada, chama-se OJ 287 e é estudada em pormenor e melhor compreendida como tendo um buraco negro binário. No céu, os buracos negros estão tão próximos um do outro que parecem um único ponto. O facto deste ponto ser na realidade constituído por dois buracos negros torna-se evidente ao detetar que emite dois tipos diferentes de sinais.

A galáxia ativa OJ 287 situa-se na direção da constelação de Caranguejo, a uma distância de cerca de 5 mil milhões de anos-luz, e tem sido observada pelos astrónomos desde 1888. Já há mais de 40 anos, o astrónomo da Universidade de Turku, Aimo Sillanpää, e os seus colaboradores repararam que existe um padrão proeminente na sua emissão que tem dois ciclos, um de cerca de 12 anos e o mais longo com cerca de 55 anos. Sugeriram que os dois ciclos resultam do movimento orbital de dois buracos negros um em torno do outro. O ciclo mais curto é o ciclo orbital e o mais longo resulta de uma evolução lenta da orientação da órbita.

O movimento orbital é revelado por uma série de surtos que surgem quando o buraco negro secundário mergulha regularmente através do disco de acreção do buraco negro primário a velocidades que são uma fração inferior à da velocidade da luz. Este mergulho do buraco negro secundário aquece o material do disco e o gás quente é libertado sob a forma de bolhas em expansão. Estas bolhas quentes demoram meses a arrefecer enquanto irradiam e causam um clarão de luz – uma espécie de proeminência – que dura cerca de duas semanas e é mais brilhante do que um bilião de estrelas.

Após décadas de esforços para estimar o momento do mergulho do buraco negro secundário através do disco de acreção, astrónomos da Universidade de Turku, na Finlândia, liderados por Mauri Valtonen, o seu colaborador Achamveedu Gopakumar do Instituto Tata de Investigação Fundamental em Mumbai, na Índia, e outros, conseguiram modelar a órbita e prever com precisão quando estes surtos iriam ocorrer.

Campanhas de observação bem-sucedidas em 1983, 1994, 1995, 2005, 2007, 2015 e 2019 permitiram à equipa observar as erupções de luz previstas e confirmar a presença de um par de buracos negros supermassivos em OJ 287.

“O número total de erupções previstas é agora de 26 e quase todas foram observadas. O maior buraco negro deste par tem mais de 18 mil milhões de vezes a massa do nosso Sol, enquanto o companheiro é cerca de 100 vezes mais leve e a sua órbita é oblonga e não circular”, afirma o professor Achamveedu Gopakumar.

Apesar destes esforços, os astrónomos não tinham conseguido observar um sinal direto do buraco negro mais pequeno. Antes de 2021, a sua existência só tinha sido deduzida indiretamente a partir das erupções e da forma como faz oscilar o jato do buraco negro maior.

“Os dois buracos negros estão tão próximos um do outro no céu que não é possível vê-los separadamente, eles fundem-se num único ponto nos nossos telescópios. Só se virmos claramente sinais separados de cada buraco negro é que podemos dizer que os ‘vimos’ a ambos”, diz o autor principal, o professor Mauri Valtonen.

Observado, diretamente e pela primeira vez, o sinal do buraco negro mais pequeno

De forma entusiasmante, as campanhas de observação de OJ 287 em 2021/2022, utilizando um grande número de telescópios de vários tipos, permitiram aos investigadores obter, pela primeira vez, observações do buraco negro secundário a atravessar o disco de acreção e dos sinais provenientes do próprio buraco negro mais pequeno.

“O período de 2021/2022 teve um significado especial no estudo de OJ 287. Anteriormente, tinha sido previsto que durante este período o buraco negro secundário mergulharia através do disco de acreção do seu companheiro mais massivo. Esperava-se que este mergulho produzisse um clarão muito azul logo após o impacto e foi de facto observado, poucos dias depois do tempo previsto, por Martin Jelinek e associados da Universidade Técnica Checa e do Instituto Astronómico da Chéquia,” disse o professor Mauri Valtonen.

No entanto, tivemos duas grandes surpresas – novos tipos de erupções que não tinham sido detetados antes. O primeiro só foi visto por uma campanha de observação detalhada por Staszek Zola da Universidade Jaguelónica de Cracóvia, Polónia, e por uma boa razão. Zola e a sua equipa observaram uma grande proeminência, que produziu 100 vezes mais luz do que uma galáxia inteira, e que durou apenas um dia.

“De acordo com as estimativas, a erupção ocorreu pouco depois do buraco negro mais pequeno ter recebido uma dose massiva de novo gás para engolir durante o seu mergulho. É o processo de deglutição que leva ao súbito aumento de brilho de OJ 287. Pensa-se que este processo deu poder ao jato que é disparado do buraco negro mais pequeno de OJ 287. Um evento como este foi previsto há dez anos, mas só foi confirmado agora”, explica Valtonen.

O segundo sinal inesperado veio dos raios gama e foi observado pelo telescópio Fermi da NASA. A maior explosão de raios gama em OJ287 dos últimos seis anos ocorreu precisamente quando o buraco negro mais pequeno atravessou o disco de gás do buraco negro primário. O jato do buraco negro mais pequeno interage com o disco de gás, e esta interação leva à produção de raios gama. Para confirmar esta ideia, os investigadores verificaram que uma erupção de raios gama semelhante já tinha ocorrido em 2013, quando o buraco negro pequeno atravessou o disco de gás pela última vez, visto da mesma direção de observação.

“Então e aquele surto que durou um dia, porque é que não o vimos antes? OJ 287 tem sido registado em fotografias desde 1888 e tem sido intensamente seguido desde 1970. Acontece que tivemos simplesmente pouca sorte. Ninguém observou OJ 287 exatamente nas noites em que fez aquela proeza com a duração de um só dia. E sem a monitorização intensa do grupo de Zola, também não o teríamos observado desta vez”, afirma Valtonen.

Estes esforços fazem de OJ 287 o melhor candidato a par de buracos negros supermassivos que está a libertar ondas gravitacionais em frequências de nano-hertz. Além disso, OJ 287 está a ser monitorizado regularmente pelos consórcios EHT (Event Horizon Telescope) e GMVA (Global mm-VLBI Array) para procurar evidências adicionais da presença de um par de buracos negros supermassivos no seu centro e, em particular, para tentar obter a imagem rádio do jato secundário.

// Universidade de Turku (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)

Saiba mais:

OJ 287:
Wikipedia

Buraco negro supermassivo:
Wikipedia

Telescópio Espacial Fermi:
NASA
Wikipedia

EHT (Event Horizon Telescope):
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Wikipedia

GMVA (Global Millimetre VLBI Array):
Página principal