O que acontece quando dois buracos negros supermassivos colidem? Combinando o poder de observação de duas futuras missões da ESA, Athena e LISA, nos permitiria estudar esses confrontos cósmicos e suas misteriosas consequências pela primeira vez.

Buracos negros supermassivos, com massas variando de milhões a bilhões de Sóis, situam-se no centro da maioria das galáxias massivas em todo o Universo. Não sabemos exatamente como esses enormes, objetos enormemente densos tomaram forma, nem o que faz com que uma fração deles comece a devorar a matéria circundante em taxas extremamente intensas, irradiando copiosamente através do espectro eletromagnético e transformando suas galáxias hospedeiras em 'núcleos galácticos ativos'.

Enfrentar essas questões em aberto na astrofísica moderna está entre os principais objetivos de duas missões futuras no programa de ciências espaciais da ESA:Atenas, o telescópio avançado para astrofísica de alta energia, e LISA, a Antena Espacial do Interferômetro Laser. Atualmente em fase de estudo, ambas as missões estão programadas para lançamento no início de 2030.

"Athena e LISA são ambas missões excelentes definidas para fazer descobertas em muitas áreas da astrofísica, "diz Günther Hasinger, Diretor de Ciências da ESA.

"Mas há um experimento extremamente emocionante que poderíamos realizar apenas se ambas as missões estivessem operacionais ao mesmo tempo por pelo menos alguns anos:trazer som para os 'filmes cósmicos' observando a fusão de buracos negros supermassivos em raios-X e ondas gravitacionais.

"Com esta oportunidade única de realizar observações sem precedentes de um dos fenômenos mais fascinantes do cosmos, a sinergia entre Athena e LISA aumentaria muito o retorno científico de ambas as missões, garantindo a liderança europeia em uma chave, nova área de pesquisa. "

Atenas será o maior observatório de raios-X já construído, investigando alguns dos fenômenos mais quentes e mais energéticos do cosmos com profundidade e precisão sem precedentes.

É projetado para responder a duas questões fundamentais:como buracos negros supermassivos no centro das galáxias se formam e evoluem, e como a matéria 'comum' se reúne, junto com a matéria escura invisível, para formar a tênue 'teia cósmica' que permeia o Universo.

"Atena vai medir várias centenas de milhares de buracos negros, de relativamente perto para longe, observando a emissão de raios-X da matéria quente de um milhão de graus em seus arredores, "diz Matteo Guainazzi, Atena cientista do estudo na ESA.

"Estamos particularmente interessados ​​nos buracos negros mais distantes, aqueles que se formaram nas primeiras centenas de milhões de anos da história do Universo, e esperamos poder finalmente entender como eles se formaram. "

Enquanto isso, LISA será o primeiro observatório espacial de ondas gravitacionais - flutuações na estrutura do espaço-tempo produzidas pela aceleração de objetos cósmicos com campos gravitacionais muito fortes, como pares de buracos negros em fusão.

Astronomia de ondas gravitacionais, inaugurado há apenas alguns anos, está atualmente limitado às ondas de alta frequência que podem ser sondadas por experimentos terrestres como LIGO e Virgo. Esses experimentos são sensíveis às fusões de buracos negros relativamente pequenos - algumas vezes a algumas dezenas de vezes mais massivos do que o sol. LISA irá expandir esses estudos detectando ondas gravitacionais de baixa frequência, como os liberados quando dois buracos negros supermassivos colidem durante a fusão de galáxias.

"LISA será a primeira missão desse tipo, procurando principalmente por ondas gravitacionais provenientes de buracos negros supermassivos que se chocam uns com os outros, "explica Paul McNamara, Cientista do estudo LISA na ESA.

"Este é um dos fenômenos mais enérgicos que conhecemos, liberando mais energia do que todo o universo quiescente faz em qualquer momento. Se dois buracos negros supermassivos se fundirem em qualquer lugar do cosmos, LISA vai ver. "

Os primeiros poucos eventos de ondas gravitacionais detectados pelo LIGO e Virgo entre 2015 e 2017 foram todos originados de pares de buracos negros de massa estelar, que são conhecidos por não irradiar qualquer luz na coalescência. Então, em agosto de 2017, ondas gravitacionais provenientes de uma fonte diferente - a fusão de duas estrelas de nêutrons - foram descobertas.

Desta vez, as ondas gravitacionais foram acompanhadas por radiação em todo o espectro eletromagnético, prontamente observado com uma infinidade de telescópios na Terra e no espaço. Combinando informações de vários tipos de observações em uma abordagem conhecida como astronomia multi-mensageiro, os cientistas poderiam se aprofundar nos detalhes desse fenômeno nunca antes observado.

Com Athena e LISA juntas, seríamos capazes de aplicar a astronomia multi-mensageiro a buracos negros supermassivos pela primeira vez. Simulações prevêem que suas fusões, ao contrário de suas contrapartes de massa estelar, emitem ondas gravitacionais e radiação - esta última originada no quente, gás interestelar das duas galáxias em colisão, agitado pelo par de buracos negros quando eles caem um em direção ao outro.

O LISA detectará as ondas gravitacionais emitidas pelos buracos negros em espiral cerca de um mês antes de sua coalescência final, quando eles ainda estão separados por uma distância equivalente a várias vezes seus raios. Os cientistas esperam que uma fração das fusões encontradas pela LISA, especialmente aqueles dentro de distâncias de alguns bilhões de anos-luz de nós, dará origem a um sinal de raios-X que poderá ser visto por Atenas.

"Quando LISA detecta pela primeira vez um sinal, não saberemos ainda de onde exatamente está vindo, porque o LISA é um sensor totalmente celeste, então funciona mais como um microfone do que um telescópio, "explica Paul.

"Contudo, como os buracos negros inspiram-se uns aos outros, a amplitude de seu sinal de onda gravitacional aumenta. Esse, juntamente com o movimento dos satélites ao longo de suas órbitas, permitirá que o LISA melhore gradualmente a localização da fonte no céu, até o momento em que os buracos negros finalmente se fundem. "

Poucos dias antes da fase final da fusão, os dados da onda gravitacional restringirão a posição da fonte a um patch no céu medindo cerca de 10 graus quadrados - cerca de 50 vezes a área da Lua cheia. Isso ainda é muito grande, mas permitiria que Atena começasse a escanear o céu em busca de um sinal de raios-X desse confronto titânico. Simulações indicam que os dois buracos negros em espiral modulam o movimento do gás circundante, portanto, é provável que a assinatura de raios-X tenha uma frequência compatível com a do sinal da onda gravitacional.

Então, apenas algumas horas antes da coalescência final dos buracos negros, LISA pode fornecer uma indicação muito mais precisa no céu, aproximadamente o tamanho do campo de visão do Wide Field Imager (WFI) de Athena, assim, o observatório de raios-X pode apontar diretamente para a fonte.

"Capturar o sinal de raios-X antes que os buracos negros se tornem um será muito desafiador, mas estamos bastante confiantes de que podemos fazer uma detecção durante e após a fusão, "explica Matteo.

"Pudemos ver o surgimento de uma nova fonte de raios-X, e talvez testemunhar o nascimento de um núcleo galáctico ativo, com jatos de partículas de alta energia sendo lançados perto da velocidade da luz acima e além do buraco negro recém-formado. "

Nunca observamos a fusão de buracos negros supermassivos - ainda não temos instalações para tais observações. Primeiro, precisamos do LISA para detectar as ondas gravitacionais e nos dizer para onde olhar no céu; então precisamos que Atena o observe com alta precisão em raios-X para ver como a poderosa colisão afeta o gás ao redor dos buracos negros. Podemos usar teoria e simulações para prever o que pode acontecer, mas precisamos combinar essas duas grandes missões para descobrir.

Cem anos atrás, este mês, em 29 de maio de 1919, as observações das posições das estrelas durante um eclipse total do Sol forneceram a primeira evidência empírica da curvatura gravitacional da luz prevista alguns anos antes pela teoria geral da relatividade de Albert Einstein. Este eclipse histórico inaugurou um século de experimentos de gravidade na Terra e no espaço, preparando o cenário para missões inspiradoras como Atenas e LISA, e mais descobertas emocionantes.