No centro da maioria das galáxias estão os buracos negros tão massivos - até vários bilhões de vezes a massa do nosso Sol - que ganharam o descritor de "supermassivos". Compare isso com o seu buraco negro de massa estelar comum, míseras 10 a 100 vezes a massa do nosso sol. Compreender esses buracos negros supermassivos ajudará os astrônomos a entender a origem e a evolução das galáxias. Uma questão em aberto é se eles podem formar binários.

Buracos negros de massa estelar formam sistemas binários, dois buracos negros orbitando um ao outro, se eles se formarem a partir do colapso de um sistema estelar binário, ou possivelmente quando dois buracos negros se capturam em sua atração gravitacional. Eles entram em espiral, eventualmente fundindo-se em um evento tão poderoso que envia uma ondulação através do espaço e do tempo conhecida como onda gravitacional. Alguns anos atrás, o Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) detectou ondas gravitacionais de tal evento pela primeira vez.

Teoricamente então, a fusão de duas galáxias pode resultar em um buraco negro binário da variedade supermassiva, mas até agora os astrônomos não detectaram inequivocamente um desses eventos. O professor de Astronomia e Astrofísica da Penn State, Michael Eracleous, está na vanguarda da caça.

"Cerca de dez anos atrás, vários artigos foram publicados alegando ter detectado buracos negros supermassivos binários, "disse ele." Eu tinha feito alguns trabalhos sobre buracos negros supermassivos binários como um estudante de graduação, então me senti na obrigação de embarcar em um projeto de reunir muitos dados para poder fazer um contraponto às afirmações daqueles papéis. Assim que comecei, Eu vi como isso estava conectado à evolução da galáxia. "

"Quando vim para a Penn State, Eu sabia que o departamento era perfeito para o tipo de pesquisa que faço, "disse ele." Fiz ótimas conexões com meus colegas aqui, e agora eu sei que se ficar preso, basta uma xícara de café e uma conversa para esclarecer as coisas. "

Então, como você procura por algo que nunca viu?

"Em grande parte da astronomia, a observação vem primeiro - vemos algo e isso informa nossa teoria, "disse Eracleous." Para buracos negros supermassivos binários, a teoria está conduzindo as observações. Até encontrarmos um, as perguntas são "Devem existir?" e "Devemos procurá-los?" E a resposta a ambas as perguntas é definitivamente "Sim".

A principal diferença entre buracos negros supermassivos e buracos negros de massa estelar é o gás. Quando buracos negros de massa estelar se formam após a explosão de uma estrela em uma supernova, a maior parte do gás é expulsa. Mas acredita-se que os buracos negros supermassivos carreguem gases com eles. Esses gases emitem sinais de luz que podem ser detectados por grandes telescópios equipados com espectrógrafos aqui na Terra, como o telescópio Hobby-Eberly (HET) de 11 metros.

Eracleous explicou que os gases são detectados pelo espectrógrafo como linhas de emissão de um determinado comprimento de onda e podem ser a chave para identificar um binário supermassivo. Enquanto os buracos negros orbitam um ao outro, as linhas de emissão desses gases mudam devido ao efeito Doppler. As linhas de emissão de um buraco negro são deslocadas para comprimentos de onda mais longos, e os do outro são deslocados para comprimentos de onda mais curtos. Então, os cientistas esperam duas linhas de emissão separadas, um de cada buraco negro.

"Se pudéssemos seguir as linhas de emissão ao longo de uma órbita, nós os veríamos cruzando para frente e para trás conforme os sinais de cada buraco negro mudassem para um lado e depois para o outro, "disse Eracleous.

Claro, a pesquisa real não é tão direta. Aspectos práticos como a disponibilidade limitada de tempo nos grandes telescópios necessários para fazer essas observações significam que os astrônomos não podem apenas observar e esperar para ver os sinais reveladores de um binário supermassivo. Mas eles não precisam. Em vez de, eles identificam os candidatos de uma pesquisa inicial e fazem check-ins regulares para ver se os espectros desses candidatos mudaram como seria de esperar com base em modelos teóricos.

"Usar o telescópio Hobby-Eberly para fazer essas observações torna nossa vida mais fácil porque nem precisamos ir ao observatório para coletar os dados, "disse Eracleous." O HET é operado por astrônomos residentes que fazem as observações e nos enviam os dados. "

O processo é lento, mas Eracleous explicou que, uma vez que encontram um buraco negro supermassivo binário, a busca deve acelerar.

"O primeiro buraco negro supermassivo binário confirmado será como a Pedra de Roseta, "disse ele." Isso vai nos dizer quais de nossos modelos estavam certos e quais estavam errados. Isso nos permitirá refinar nossas próximas pesquisas e devemos ser capazes de encontrar mais. "

Os astrônomos já estão desenvolvendo a tecnologia para as próximas pesquisas. Eracleous está envolvido no planejamento da Antena Espacial do Interferômetro a Laser (LISA). LISA é para o LIGO o que um buraco negro supermassivo é para um buraco negro de massa estelar. Onde o LIGO consiste em dois lasers de quatro quilômetros de comprimento perpendicularmente um ao outro, As três naves espaciais da LISA serão conectadas por lasers que viajam 2,5 milhões de quilômetros formando um triângulo equilátero. A escala do LISA e o fato de ser baseado no espaço significa que ele pode detectar ondas gravitacionais de baixo comprimento de onda longe de fontes de ruído aqui na Terra.

"O LISA será ajustado para encontrar ondas gravitacionais como aquelas que resultariam de uma fusão de buracos negros supermassivos, "disse Eracleous.

Para Eracleous, O Departamento de Astronomia e Astrofísica da Penn State forneceu o ambiente de apoio necessário para sua pesquisa.