O mistério em torno do paradeiro de um buraco negro supermassivo se aprofundou.

Apesar de pesquisar com o Observatório de Raios-X Chandra e o Telescópio Espacial Hubble da NASA, os astrônomos não têm evidências de que um buraco negro distante, estimado em 3 bilhões a 100 bilhões de vezes a massa do Sol, possa ser encontrado em algum lugar.

Este buraco negro ausente deve estar na enorme galáxia no centro do aglomerado de galáxias Abell 2261, que está localizado a cerca de 2,7 bilhões de anos-luz da Terra. Esta imagem composta de Abell 2261 contém dados ópticos do Hubble e do telescópio Subaru mostrando galáxias no aglomerado e no fundo, e dados de raios-X do Chandra mostrando gás quente (rosa colorido) permeando o aglomerado. O meio da imagem mostra a grande galáxia elíptica no centro do aglomerado.

Quase todas as grandes galáxias do Universo contêm um buraco negro supermassivo em seu centro, com uma massa que é milhões ou bilhões de vezes a do Sol. Uma vez que a massa de um buraco negro central geralmente acompanha a massa da própria galáxia, astrônomos esperam que a galáxia no centro de Abell 2261 contenha um buraco negro supermassivo que rivaliza com o peso de alguns dos maiores buracos negros conhecidos no Universo.

Usando dados do Chandra obtidos em 1999 e 2004, os astrônomos já haviam pesquisado o centro da grande galáxia central de Abell 2261 em busca de sinais de um buraco negro supermassivo. Eles procuraram por material que foi superaquecido ao cair em direção ao buraco negro e produzir raios-X, mas não detectou tal fonte.

Agora, com novo, observações mais longas do Chandra obtidas em 2018, uma equipe liderada por Kayhan Gultekin da Universidade de Michigan em Ann Arbor conduziu uma busca mais profunda pelo buraco negro no centro da galáxia. Eles também consideraram uma explicação alternativa, em que o buraco negro foi ejetado do centro da galáxia hospedeira. Este evento violento pode ter resultado da fusão de duas galáxias para formar a galáxia observada, acompanhado pelo buraco negro central em cada galáxia se fundindo para formar um enorme buraco negro.

Quando os buracos negros se fundem, eles produzem ondulações no espaço-tempo chamadas ondas gravitacionais. Se a grande quantidade de ondas gravitacionais geradas por tal evento fosse mais forte em uma direção do que em outra, a teoria prevê que o novo, um buraco negro ainda mais massivo teria sido enviado para longe do centro da galáxia na direção oposta. Isso é chamado de buraco negro recuando.

Os astrônomos não encontraram evidências definitivas de buracos negros recuando e não se sabe se buracos negros supermassivos chegam perto o suficiente uns dos outros para produzir ondas gravitacionais e se fundir; até aqui, astrônomos verificaram apenas as fusões de buracos negros muito menores. A detecção de buracos negros supermassivos recuando encorajaria os cientistas a usar e desenvolver observatórios para procurar ondas gravitacionais resultantes da fusão de buracos negros supermassivos.

A galáxia no centro de Abell 2261 é um excelente aglomerado para procurar um buraco negro recuando porque há dois sinais indiretos de que uma fusão entre dois buracos negros massivos pode ter ocorrido. Primeiro, dados das observações ópticas do Hubble e Subaru revelam um núcleo galáctico - a região central onde o número de estrelas na galáxia em um determinado trecho da galáxia é igual ou próximo ao valor máximo - que é muito maior do que o esperado para uma galáxia de seu tamanho. O segundo sinal é que a concentração mais densa de estrelas na galáxia é superior a 2, 000 anos-luz de distância do centro da galáxia, que é surpreendentemente distante.

Esses recursos foram identificados pela primeira vez por Marc Postman do Space Telescope Science Institute (STScI) e colaboradores em suas imagens anteriores do Hubble e Subaru, e os levou a sugerir a ideia de um buraco negro fundido em Abell 2261. Durante uma fusão, o buraco negro supermassivo em cada galáxia afunda em direção ao centro da galáxia recém-coalescida. Se eles ficarem ligados um ao outro pela gravidade e sua órbita começar a encolher, espera-se que os buracos negros interajam com as estrelas circundantes e as ejete do centro da galáxia. Isso explicaria o grande núcleo do Abell 2261. A concentração descentralizada de estrelas também pode ter sido causada por um evento violento, como a fusão de dois buracos negros supermassivos e o subsequente recuo de um único, um buraco negro maior resultante.

Mesmo que haja indícios de que ocorreu uma fusão do buraco negro, nem os dados do Chandra nem do Hubble mostraram evidências do próprio buraco negro. Gultekin e a maioria de seus co-autores, liderado por Sarah Burke-Spolaor da West Virginia University, já havia usado o Hubble para procurar um aglomerado de estrelas que poderia ter sido carregado por um buraco negro recuando. Eles estudaram três aglomerados perto do centro da galáxia, e examinou se os movimentos das estrelas nesses aglomerados são altos o suficiente para sugerir que contêm um buraco negro de dez bilhões de massa solar. Nenhuma evidência clara de um buraco negro foi encontrada em dois dos aglomerados e as estrelas no outro eram muito fracas para produzir conclusões úteis.

Eles também estudaram previamente as observações de Abell 2261 com Karl G. Jansky Very Large Array da NSF. A emissão de rádio detectada perto do centro da galáxia mostrou evidências de que a atividade de buracos negros supermassivos ocorreu há 50 milhões de anos atrás, mas não indica que o centro da galáxia atualmente contém tal buraco negro.

Eles então se voltaram para o Chandra em busca de material que havia sido superaquecido e produzia raios-X ao cair em direção ao buraco negro. Embora os dados do Chandra tenham revelado que o gás quente mais denso não estava no centro da galáxia, eles não revelaram quaisquer possíveis assinaturas de raios-X de um crescente buraco negro supermassivo - nenhuma fonte de raios-X foi encontrada no centro do aglomerado, ou em qualquer um dos aglomerados de estrelas, ou no local da emissão de rádio.

Os autores concluíram que não há buraco negro em qualquer um desses locais, ou que está puxando o material muito lentamente para produzir um sinal de raio-X detectável.

O mistério da localização deste gigantesco buraco negro, portanto, continua. Embora a pesquisa não tenha sido bem-sucedida, a esperança permanece para os astrônomos que procuram este buraco negro supermassivo no futuro. Depois de lançado, o Telescópio Espacial James Webb pode ser capaz de revelar a presença de um buraco negro supermassivo no centro da galáxia ou um dos aglomerados de estrelas. Se Webb não conseguir encontrar o buraco negro, então a melhor explicação é que o buraco negro recuou bem para fora do centro da galáxia.

Um artigo que descreve esses resultados foi aceito para publicação em um jornal da American Astronomical Society, e também está disponível online em arxiv.org/abs/2010.13980.