Astrônomos avistaram um par distante de buracos negros titânicos que se dirigem para uma colisão.

A massa de cada buraco negro é mais de 800 milhões de vezes a massa do nosso sol. À medida que os dois se aproximam gradualmente em uma espiral mortal, eles começarão a enviar ondas gravitacionais ondulando através do espaço-tempo. Essas ondulações cósmicas irão se juntar ao ruído de fundo ainda não detectado das ondas gravitacionais de outros buracos negros supermassivos.

Mesmo antes da colisão destinada, as ondas gravitacionais que emanam do par de buracos negros supermassivos tornarão anãs aquelas previamente detectadas nas fusões de buracos negros muito menores e estrelas de nêutrons.

"Binários supermassivos de buracos negros produzem as ondas gravitacionais mais altas do universo, "diz a co-descobridora Chiara Mingarelli, um cientista pesquisador associado do Centro de Astrofísica Computacional do Flatiron Institute na cidade de Nova York. Ondas gravitacionais de pares de buracos negros supermassivos "são um milhão de vezes mais altas do que as detectadas pelo LIGO."

O estudo foi liderado por Andy Goulding, pesquisador associado da Universidade de Princeton. Goulding, Mingarelli e colaboradores de Princeton e do Laboratório de Pesquisa Naval dos EUA em Washington, D.C., relatar a descoberta em 10 de julho em o Cartas de jornal astrofísico .

Os dois buracos negros supermassivos são especialmente interessantes porque estão a cerca de 2,5 bilhões de anos-luz de distância da Terra. Visto que olhar para objetos distantes na astronomia é como olhar para trás no tempo, o par pertence a um universo 2,5 bilhões de anos mais jovem que o nosso. Coincidentemente, é quase o mesmo tempo que os astrônomos estimam que os buracos negros levarão para começar a produzir ondas gravitacionais poderosas.

No universo atual, os buracos negros já estão emitindo essas ondas gravitacionais, mas mesmo na velocidade da luz, as ondas não nos alcançarão por bilhões de anos. A dupla ainda é útil, no entanto. Sua descoberta pode ajudar os cientistas a estimar quantos buracos negros supermassivos próximos estão emitindo ondas gravitacionais que poderíamos detectar agora.

Detectar o fundo da onda gravitacional ajudará a resolver algumas das maiores incógnitas da astronomia, como a frequência com que as galáxias se fundem e se pares de buracos negros supermassivos se fundem ou ficam presos em uma valsa quase infinita em torno um do outro.

"É uma grande vergonha para a astronomia não sabermos se buracos negros supermassivos se fundem, "diz a co-autora do estudo Jenny Greene, professor de ciências astrofísicas em Princeton. "Para todos na física dos buracos negros, observacionalmente, este é um quebra-cabeça de longa data que precisamos resolver. "

Buracos negros supermassivos contêm milhões ou até bilhões de sóis em massa. Quase todas as galáxias, incluindo a Via Láctea, conter pelo menos um dos gigantes em seu núcleo. Quando as galáxias se fundem, seus buracos negros supermassivos se encontram e começam a orbitar um ao outro. Hora extra, essa órbita se aperta conforme o gás e as estrelas passam entre os buracos negros e roubam energia.

Uma vez que os buracos negros supermassivos se aproximam o suficiente, no entanto, esse roubo de energia praticamente para. Alguns estudos teóricos sugerem que os buracos negros então param em cerca de 1 parsec (cerca de 3,2 anos-luz) de distância. Essa desaceleração dura quase indefinidamente e é conhecida como o problema final do parsec. Neste cenário, apenas grupos muito raros de três ou mais buracos negros supermassivos resultam em fusões.

Os astrônomos não podem apenas procurar por pares paralisados ​​porque muito antes de os buracos negros estarem separados por 1 parsec, eles estão muito próximos para serem distinguidos como dois objetos separados. Além disso, eles não produzem ondas gravitacionais fortes até que superem o obstáculo do parsec final e se aproximem. (Observados como estavam há 2,5 bilhões de anos, os recém-descobertos buracos negros supermassivos aparecem separados por cerca de 430 parsecs.)

Se o problema final do parsec não existir, então os astrônomos esperam que o universo seja preenchido com o clamor de ondas gravitacionais de pares de buracos negros supermassivos. "Este ruído é chamado de fundo de onda gravitacional, e é um pouco como um coro caótico de grilos cantando à noite, "diz Goulding." Você não pode distinguir um grilo do outro, mas o volume do ruído ajuda a estimar quantos grilos existem. "(Quando dois buracos negros supermassivos finalmente colidem e se combinam, eles emitem um chilreio estrondoso que supera todos os outros. Tal evento é breve e extraordinariamente raro, no entanto, portanto, os cientistas não esperam detectar um em breve.)

As ondas gravitacionais geradas por pares de buracos negros supermassivos estão fora das frequências atualmente observáveis ​​por experimentos como LIGO e Virgo. Em vez de, os caçadores de ondas gravitacionais contam com matrizes de estrelas especiais chamadas pulsares que agem como metrônomos. As estrelas que giram rapidamente enviam ondas de rádio em um ritmo constante. Se uma onda gravitacional passando esticar ou comprimir o espaço entre a Terra e o pulsar, o ritmo é ligeiramente alterado.

Detectar o fundo da onda gravitacional usando uma dessas matrizes de temporização de pulsar exige paciência e muitas estrelas monitoradas. O ritmo de um único pulsar pode ser interrompido por apenas algumas centenas de nanossegundos ao longo de uma década. Quanto mais alto o ruído de fundo, quanto maior a interrupção do tempo e mais cedo será feita a primeira detecção.

Goulding, Greene e os outros astrônomos observacionais da equipe detectaram os dois titãs com o Telescópio Espacial Hubble. Embora buracos negros supermassivos não sejam diretamente visíveis através de um telescópio óptico, eles são cercados por aglomerados brilhantes de estrelas luminosas e gás quente sugado pelo poderoso puxão gravitacional. Por seu tempo na história, a galáxia que abriga o recém-descoberto par de buracos negros supermassivos "é basicamente a galáxia mais luminosa do universo, "Goulding diz. Além do mais, o núcleo da galáxia está disparando duas nuvens de gás invulgarmente colossais. Depois que os pesquisadores apontaram o Telescópio Espacial Hubble para a galáxia para descobrir as origens de suas espetaculares nuvens de gás, eles descobriram que o sistema continha não um, mas dois buracos negros massivos.

Os observacionalistas então se uniram aos físicos de ondas gravitacionais Mingarelli e ao estudante de pós-graduação de Princeton Kris Pardo para interpretar a descoberta no contexto da onda gravitacional de fundo. A descoberta fornece um ponto de ancoragem para estimar quantos pares de buracos negros supermassivos estão dentro da distância de detecção da Terra. Estimativas anteriores se baseavam em modelos de computador de quantas vezes as galáxias se fundem, em vez de observações reais de pares de buracos negros supermassivos.

Com base nas descobertas, Pardo e Mingarelli prevêem que, em um cenário otimista, existem cerca de 112 buracos negros supermassivos próximos emitindo ondas gravitacionais. A primeira detecção da onda gravitacional de fundo de buracos negros supermassivos deve ocorrer nos próximos cinco anos. Se tal detecção não for feita, isso seria uma evidência de que o problema final do parsec pode ser intransponível. A equipe está atualmente olhando para outras galáxias semelhantes àquela que abriga o par de buracos negros supermassivos recém-descobertos. Encontrar pares adicionais os ajudará a aprimorar ainda mais suas previsões.