Dois buracos negros supermassivos podem estar prestes a colidir.

Um brilho intenso vindo de uma galáxia a meia-milhar de milhões de anos-luz poderá dar-nos, em tempo real, um lugar na primeira fila para assistir à colisão de dois buracos negros supermassivos em escalas de tempo humanas - possivelmente dentro de apenas um século.

Mrk 501 e os indícios de dois buracos negros supermassivos

Uma nova análise da luz invulgar emitida pelo blazar Mrk 501 aponta para a existência não de um, mas de dois buracos negros supermassivos, cada um a alimentar o seu próprio jato de matéria a velocidades extremas. Ainda não se trata de uma deteção definitiva; porém, de acordo com um estudo liderado pela astrónoma Silke Britzen, do Instituto Max Planck de Astronomia Rádio, na Alemanha, esta é, neste momento, a explicação mais convincente para o comportamento estranho desta galáxia.

Se a hipótese se confirmar, poderá significar que uma das grandes “baleias brancas” da cosmologia está mesmo aqui ao lado: a primeira observação de uma fusão entre buracos negros supermassivos com milhões a milhares de milhões de vezes a massa do Sol.

“Até agora, nenhum sistema de jato duplo no núcleo de um blazar foi detetado através de imagem direta”, escrevem Britzen e os colegas. “Assim, o presente trabalho relata a primeira deteção de um sistema de jato duplo, levando à inferência de um binário de buracos negros supermassivos no interior do núcleo deste blazar.”

Porque é que os buracos negros supermassivos continuam a intrigar

Pensa-se que os buracos negros supermassivos se escondem no coração de todas as grandes galáxias, funcionando como o núcleo cósmico em torno do qual o resto do sistema gira. Estas entidades podem atingir massas colossais - e colocam vários problemas difíceis de resolver.

Um dos mais urgentes é perceber como, afinal, conseguem tornar-se tão enormes. Os buracos negros de massa estelar - com dezenas de massas solares - formam-se a partir do colapso do núcleo de estrelas massivas em fim de vida. Sabemos também que estes podem fundir-se e dar origem a objetos maiores, sendo que o maior conhecido chega a cerca de 225 massas solares.

Já os caminhos de formação e evolução que levam a buracos negros com massas milhões de vezes superiores são muito mais enigmáticos. Uma das razões é a falta de ferramentas para detetar ondas gravitacionais produzidas por uma única fusão de buracos negros supermassivos - o sinal mais útil para compreender o crescimento por meio de fusões.

Ainda assim, estes gigantes não são tão discretos como os seus parentes muito menores. Com frequência, “devoram” enormes quantidades de matéria, que se organiza num disco em rotação, aquece e brilha intensamente.

Além disso, parte do material que cai em direção ao buraco negro é desviada ao longo de linhas de campo magnético fora do horizonte de eventos. Essa matéria é acelerada para os polos do buraco negro e é expelida para o espaço como um jato de plasma com força extraordinária, emitindo em rádio. Tanto o disco luminoso como os jatos velozes podem ser detetados pelos nossos telescópios - uma assinatura típica de um buraco negro supermassivo particularmente voraz.

Colisões de galáxias, pares de buracos negros e o caso do blazar

Sabemos que as galáxias colidem e crescem - existem inúmeros exemplos de colisões galácticas em curso por todo o Universo. E, nos seus centros, os buracos negros supermassivos acabam por ser atraídos um para o outro. Há vários casos de galáxias pós-fusão com dois ou mais buracos negros supermassivos no núcleo, presos numa órbita em espiral que deverá, em última análise, juntá-los.

O Mrk 501, situado a cerca de 464 milhões de anos-luz, é uma galáxia que os astrónomos já suspeitavam poder albergar um binário de buracos negros supermassivos. Contudo, o Mrk 501 é um blazar: uma galáxia com um buraco negro supermassivo ativo cujo jato relativista aponta quase diretamente para a Terra. Isso torna-o extremamente brilhante em todo o espectro eletromagnético - e, por isso, análises detalhadas do núcleo tornam-se mais difíceis.

Para contornar essa limitação, Britzen e a sua equipa recorreram a radiotelescópios de ultra-alta resolução, acompanhando alterações no centro do Mrk 501 em múltiplos comprimentos de onda de rádio. As observações estenderam-se por aproximadamente 23 anos, o que lhes permitiu seguir, ao longo do tempo, estruturas brilhantes no jato.

Um jato “a mais” e um sistema em movimento

A equipa usou essas mudanças para reconstruir como o material se desloca nas proximidades do motor central da galáxia - e foi aí que apareceu algo inesperado. O padrão observado parecia indicar um segundo jato, mais ténue, que aparenta contornar o núcleo de rádio num movimento em sentido anti-horário.

“Avaliar os dados foi como estar num navio”, diz Britzen. “Todo o sistema de jatos está em movimento. Um sistema de dois buracos negros pode explicar isto: O plano orbital oscila.”

De seguida, os investigadores modelaram a dinâmica detetada e concluíram que o comportamento é explicado de forma mais simples se existir um segundo buraco negro supermassivo. No brilho variável, identificaram dois períodos. Um deles era de sete anos, que consideraram compatível com uma oscilação do sistema de jatos - como um pião a cambalear enquanto gira.

O outro período era de cerca de 121 dias; segundo os autores, isso poderá ser consistente com o período orbital de dois buracos negros separados por 250 a 540 vezes a distância entre a Terra e o Sol. Para objetos tão massivos como buracos negros supermassivos, trata-se de uma separação extremamente curta.

O “problema do último parsec” e uma separação invulgarmente pequena

Essa distância corresponde também a uma fração minúscula de um parsec (cerca de 3,2 anos-luz), o que torna o resultado particularmente interessante por causa do chamado problema do último parsec.

De acordo com os modelos, enquanto dois buracos negros supermassivos orbitam entre si, vão transferindo energia orbital para as estrelas e o gás ao redor, o que reduz progressivamente o tamanho da órbita. Mas, à medida que a distância diminui, também diminui a quantidade de material capaz de “roubar” momento e continuar a travagem orbital.

Quando chegam a cerca de um parsec de separação, a vizinhança galáctica pode já não sustentar mais decaimento orbital; assim, a órbita poderá estagnar durante um período potencialmente muito longo - possivelmente mais longo do que a idade atual do Universo.

Se o Mrk 501 for, de facto, o lar de um binário de buracos negros supermassivos, a separação orbital do par seria, no máximo, de apenas 0.0026 parsecs - sugerindo que estes binários conseguem, por algum mecanismo, ultrapassar um “fosso” que a física indica ser muito difícil de vencer.

Buracos negros supermassivos… que coisa.

Um alvo promissor para ondas gravitacionais em baixa frequência

Em todo o caso, como este binário ainda não confirmado estaria tão próximo, o tempo até à colisão poderá ser muito curto - menos de 100 anos, segundo os investigadores. Por isso, o MRK 501 merece ser acompanhado de perto, sobretudo com redes de temporização de pulsares, capazes de detetar as ondas gravitacionais de baixa frequência que o sistema poderá emitir.

“Se forem detetadas ondas gravitacionais”, diz o astrónomo Héctor Olivares, da Universidade Radboud, nos Países Baixos, “poderemos até ver a sua frequência aumentar de forma constante à medida que os dois gigantes espiralam rumo à colisão, oferecendo uma rara oportunidade de observar a fusão de um buraco negro supermassivo a desenrolar-se.”

O artigo foi aceite para publicação na Notícias Mensais da Real Sociedade Astronómica.