Quando três galáxias colidem, o que acontece com os enormes buracos negros no centro de cada um? Um novo estudo usando o Observatório de raios-X Chandra da NASA e vários outros telescópios revela novas informações sobre quantos buracos negros estão crescendo furiosamente após esses esmagamentos galácticos.

Os astrônomos querem aprender mais sobre as colisões galácticas porque as fusões subsequentes são uma forma fundamental de as galáxias e os buracos negros gigantes em seus núcleos crescerem ao longo do tempo cósmico.

"Tem havido muitos estudos sobre o que acontece com buracos negros supermassivos quando duas galáxias se fundem, "disse Adi Foord da Universidade de Stanford, quem conduziu o estudo. "O nosso é um dos primeiros a olhar sistematicamente o que acontece aos buracos negros quando três galáxias se juntam."

Ela e seus colegas identificaram sistemas de fusão de galáxias triplas comparando os arquivos - contendo dados que agora estão disponíveis publicamente - da missão WISE da NASA e do Sloan Digital Sky Survey (SDSS) com o arquivo Chandra. Usando este método, eles encontraram sete fusões de galáxias triplas localizadas entre 370 milhões e um bilhão de anos-luz da Terra.

Usando software especializado desenvolvido pela Foord para seu doutorado. na Universidade de Michigan em Ann Arbor, a equipe analisou os dados do Chandra visando esses sistemas para detectar fontes de raios-X marcando a localização de buracos negros supermassivos em crescimento. Conforme o material cai em direção a um buraco negro, ele é aquecido a milhões de graus e produz raios-X.

Chandra, com sua visão nítida de raios-X, é ideal para detectar o crescimento de buracos negros supermassivos em fusões. As fontes de raios-X associadas são difíceis de detectar porque geralmente estão próximas umas das outras nas imagens e costumam ser fracas. O software da Foord foi desenvolvido especificamente para encontrar essas fontes. Dados de outros telescópios foram então usados ​​para descartar outras origens possíveis da emissão de raios-X não relacionadas a buracos negros supermassivos.

Os resultados de Foord e da equipe mostram que, de sete fusões de galáxias triplas, há uma com um único buraco negro supermassivo em crescimento, quatro com buracos negros supermassivos de crescimento duplo, e um triplo. A fusão tripla final que eles estudaram parece ter ocorrido sem nenhuma emissão de raios-X detectada nos buracos negros supermassivos. Nos sistemas com vários buracos negros, as separações entre eles variam entre cerca de 10, 000 e 30, 000 anos-luz.

"Por que nos preocupamos com a porcentagem de acertos desses buracos negros?" disse a coautora Jessie Runnoe, da Vanderbilt University em Nashville, Tenn. "Porque essas estatísticas podem nos dizer mais sobre como os buracos negros e as galáxias que eles habitam crescem."

Uma vez que encontraram evidências de fontes de raios-X brilhantes como candidatas para o crescimento de buracos negros supermassivos nos dados do Chandra, os pesquisadores incorporaram dados de arquivo de outros telescópios. Como um segundo árbitro conferindo sobre a chamada original, esses dados corroboraram a ideia de que vários buracos negros estavam presentes nas galáxias fundidas.

Para fazer essas chamadas, os autores estudaram os dados infravermelhos da missão WISE, o satélite astronômico infravermelho, e o Two Micron All Sky Telescope para ver a rapidez com que as estrelas estão se formando nas diferentes galáxias em seu levantamento. Isso permitiu que eles estimassem quantos dos raios-X detectados provavelmente viriam de sistemas emissores de raios-X contendo estrelas massivas, ao invés de um crescente buraco negro supermassivo. Como esses sistemas estelares são jovens, eles são mais comuns quando as estrelas estão se formando mais rapidamente. Foord e seus colegas usaram essa técnica para concluir que uma das fontes de raios-X que encontraram é provavelmente de uma coleção de sistemas estelares emissores de raios-X.

Os dados do Chandra e do WISE mostram que o sistema com buracos negros supermassivos em crescimento tem a maior quantidade de poeira e gás. Isso coincide com simulações de computador teóricas de fusões que sugerem que níveis mais altos de gás perto de buracos negros são mais propensos a desencadear o crescimento rápido dos buracos negros.

Estudos de fusões triplas podem ajudar os cientistas a entender se pares de buracos negros supermassivos podem se aproximar tão próximos uns dos outros que fazem ondulações no espaço-tempo chamadas ondas gravitacionais. A energia perdida por essas ondas inevitavelmente fará com que os buracos negros se fundam.

O Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO) e a matriz de Virgo na Europa mostraram aos astrônomos que buracos negros de massa estelar criam ondas gravitacionais e se fundem, mas não se sabe se buracos negros supermassivos sim.

"Há um" cenário de pesadelo "em que os buracos negros supermassivos não podem perder energia suficiente para se aproximar e fazer ondas gravitacionais", disse o co-autor Michael Koss da Eureka Scientific em Oakland, Califórnia. "Se este for o caso, projetos como LISA e matrizes de temporização de pulsar não terão nenhuma fusão de buracos negros supermassivos para detectar".

Contudo, as interações gravitacionais de um terceiro buraco negro supermassivo podem impedir esse processo de paralisação. Estudos de buracos negros supermassivos em sistemas onde três galáxias estão se fundindo são, portanto, importantes para entender se o cenário de pesadelo pode se aplicar.

O sistema com três buracos negros supermassivos em crescimento foi relatado anteriormente por Ryan Pfeifle da George Mason University em Fairfax, Virginia em um comunicado à imprensa do Chandra e um artigo de outubro de 2019 em The Astrophysical Journal , e uma equipe liderada por Xin Lui da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign em um artigo de dezembro de 2019 em The Astrophysical Journal . Este último resultado ajuda a colocar essa descoberta no contexto de outras fusões triplas de galáxias.

Foord apresentou o novo estudo na 237ª reunião da American Astronomical Society, que está sendo realizada virtualmente de 11 a 15 de janeiro, 2021. Dois artigos que descrevem este trabalho foram recentemente aceitos para publicação em The Astrophysical Journal ..