Um novo modelo está trazendo os cientistas um passo mais perto de compreender os tipos de sinais de luz produzidos quando dois buracos negros supermassivos, que são milhões a bilhões de vezes a massa do Sol, espiral em direção a uma colisão. Pela primeira vez, uma nova simulação de computador que incorpora totalmente os efeitos físicos da teoria geral da relatividade de Einstein mostra que o gás em tais sistemas brilhará predominantemente na luz ultravioleta e de raios-X.

Praticamente todas as galáxias do tamanho de nossa Via Láctea ou maior contêm um buraco negro monstruoso em seu centro. As observações mostram que as fusões de galáxias ocorrem com frequência no universo, mas até agora ninguém viu uma fusão desses buracos negros gigantes.

"Sabemos que galáxias com buracos negros supermassivos centrais se combinam o tempo todo no universo, no entanto, vemos apenas uma pequena fração de galáxias com duas delas perto de seus centros, "disse Scott Noble, um astrofísico do Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Maryland. "Os pares que vemos não estão emitindo fortes sinais de ondas gravitacionais porque estão muito distantes um do outro. Nosso objetivo é identificar - apenas com a luz - pares ainda mais próximos a partir dos quais os sinais de ondas gravitacionais podem ser detectados no futuro."

Um artigo descrevendo a análise da equipe da nova simulação foi publicado na terça-feira, 2 de outubro, no Astrophysical Journal e agora está disponível online.

Os cientistas detectaram a fusão de buracos negros de massa estelar - que variam de cerca de três a várias dezenas de massas solares - usando o Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) da National Science Foundation. As ondas gravitacionais são ondulações do espaço-tempo que viajam à velocidade da luz. Eles são criados quando objetos em órbita massiva, como buracos negros e estrelas de nêutrons, espiralam juntos e se fundem.

As fusões supermassivas serão muito mais difíceis de encontrar do que suas primas de massa estelar. Uma razão pela qual os observatórios baseados em terra não podem detectar ondas gravitacionais desses eventos é porque a própria Terra é muito barulhenta, tremores de vibrações sísmicas e mudanças gravitacionais de distúrbios atmosféricos. Os detectores devem estar no espaço, como a Laser Interferometer Space Antenna (LISA) liderada pela ESA (Agência Espacial Europeia) e com lançamento planejado para os anos 2030. Observatórios monitorando conjuntos de rotação rápida, estrelas superdensas chamadas pulsares podem detectar ondas gravitacionais de fusões de monstros. Como faróis, Os pulsares emitem feixes de luz regularmente cronometrados que entram e saem do campo de visão enquanto giram. As ondas gravitacionais podem causar pequenas mudanças no tempo desses flashes, mas até agora os estudos não produziram nenhuma detecção.

Mas binários supermassivos próximos à colisão podem ter uma coisa que falta aos binários de massa estelar - um ambiente rico em gás. Os cientistas suspeitam que a explosão de uma supernova que cria um buraco negro estelar também expulsa a maior parte do gás circundante. O buraco negro consome o pouco que resta tão rapidamente que não resta muito para brilhar quando a fusão acontece.

Binários supermassivos, por outro lado, resultado de fusões de galáxias. Cada buraco negro gigantesco traz consigo uma comitiva de nuvens de gás e poeira, estrelas e planetas. Os cientistas acham que uma colisão de galáxias impulsiona grande parte desse material em direção aos buracos negros centrais, que o consomem em uma escala de tempo semelhante àquela necessária para o binário se fundir. À medida que os buracos negros se aproximam, as forças magnéticas e gravitacionais aquecem o gás restante, astrônomos produtores de luz deveriam ser capazes de ver.

“É muito importante prosseguir em duas vias, "disse a co-autora Manuela Campanelli, diretor do Center for Computational Relativity and Gravitation no Rochester Institute of Technology, em Nova York, que iniciou este projeto há nove anos. "A modelagem desses eventos requer ferramentas computacionais sofisticadas que incluem todos os efeitos físicos produzidos por dois buracos negros supermassivos orbitando um ao outro a uma fração da velocidade da luz. Saber quais sinais de luz esperar desses eventos ajudará as observações modernas a identificá-los. Modelagem e as observações irão, então, alimentar-se umas às outras, ajudando-nos a entender melhor o que está acontecendo no coração da maioria das galáxias. "

A nova simulação mostra três órbitas de um par de buracos negros supermassivos com apenas 40 órbitas da fusão. Os modelos revelam que a luz emitida nesta fase do processo pode ser dominada pela luz ultravioleta com alguns raios-X de alta energia, semelhante ao que é visto em qualquer galáxia com um buraco negro supermassivo bem alimentado.

Três regiões de gases emissores de luz brilham à medida que os buracos negros se fundem, todos conectados por fluxos de gás quente:um grande anel circundando todo o sistema, chamado de disco circumbinário, e dois menores em torno de cada buraco negro, chamados minidiscos. Todos esses objetos emitem predominantemente luz ultravioleta. Quando o gás flui para um minidisco em alta taxa, a luz ultravioleta do disco interage com a corona de cada buraco negro, uma região de partículas subatômicas de alta energia acima e abaixo do disco. Essa interação produz raios-X. Quando a taxa de acúmulo é menor, A luz ultravioleta diminui em relação aos raios-X.

Com base na simulação, os pesquisadores esperam que os raios-X emitidos por uma quase fusão sejam mais brilhantes e mais variáveis ​​do que os raios-X vistos em buracos negros supermassivos simples. O ritmo das mudanças está relacionado tanto à velocidade orbital do gás localizado na borda interna do disco circumbinário quanto à dos buracos negros que se fundem.

"A forma como ambos os buracos negros desviam a luz dá origem a efeitos de lente complexos, como visto no filme, quando um buraco negro passa na frente do outro, "disse Stéphane d'Ascoli, estudante de doutorado na École Normale Supérieure de Paris e principal autora do artigo. "Algumas características exóticas foram uma surpresa, como as sombras em formato de sobrancelha que um buraco negro cria ocasionalmente perto do horizonte do outro. "

A simulação foi executada no supercomputador Blue Waters do National Center for Supercomputing Applications da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign. Modelar três órbitas do sistema levou 46 dias em 9, 600 núcleos de computação. Campanelli disse que a colaboração recentemente ganhou mais tempo na Blue Waters para continuar desenvolvendo seus modelos.

A simulação original estimou as temperaturas dos gases. A equipe planeja refinar seu código para modelar como os parâmetros de alteração do sistema, como temperatura, distância, massa total e taxa de acréscimo, afetará a luz emitida. Eles estão interessados ​​em ver o que acontece com o gás viajando entre os dois buracos negros, bem como em modelar intervalos de tempo mais longos.

"Precisamos encontrar sinais na luz de binários supermassivos de buracos negros distintos o suficiente para que os astrônomos possam encontrar esses sistemas raros entre a multidão de buracos negros supermassivos simples e brilhantes, "disse o co-autor Julian Krolik, um astrofísico da Universidade Johns Hopkins em Baltimore. "Se pudermos fazer isso, podemos ser capazes de descobrir buracos negros supermassivos em fusão antes de serem vistos por um observatório de ondas gravitacionais baseado no espaço. "