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COLISÃO DE BURACOS NEGROS PODE TER "EXPLODIDO COM LUZ"
30 de junho de 2020

 


Impressão de artista de um buraco negro supermassivo e do seu disco circundante de gás. Embebidos neste disco estão dois buracos negros mais pequenos que se orbitam um ao outro. Usando dados do ZTF (Zwicky Transient Facility) no Observatório Palomar, investigadores identificaram um surto de luz que se suspeita ter vindo de um par de buracos negros pouco depois de se terem fundido num buraco negro maior. A fusão dos buracos negros teria feito com que o buraco negro resultante, maior, se movesse no disco, "lavrando" o gás e criando luz. Estes buracos negros em fusão foram avistados no dia 21 de maio de 2019 pelo LIGO da NSF e pelo detetor europeu Virgo, que detetaram ondas gravitacionais geradas pela fusão.
Crédito: Caltech/R. Hurt (IPAC)

 

Quando dois buracos negros espiralam um em direção ao outro e finalmente colidem, emitem ondulações no espaço e no tempo chamadas ondas gravitacionais. Tendo em conta que os buracos negros não emitem luz, não se espera que estes eventos tenham brilho, ou radiação eletromagnética. Mas alguns teóricos criaram maneiras pelas quais uma fusão de buracos negros pode explodir com luz. Agora, pela primeira vez, os astrónomos viram evidências de um desses cenários de produção de luz.

Com a ajuda do ZTF (Zwicky Transient Facility) do Caltech, financiado pela NSF (National Science Foundation) e localizado no Observatório Palomar perto de San Diego, EUA, os cientistas descobriram o que poderá ser um surto de luz de um par de buracos negros. A fusão dos buracos negros foi testemunhada pela primeira vez pelo LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) da NSF e pelo detetor europeu Virgo no dia 21 de maio de 2019, num evento chamado S190521g. À medida que os buracos negros se fundiam, agitando o espaço e o tempo, libertaram ondas gravitacionais.

Enquanto isto acontecia, o ZTF realizava o seu levantamento robótico do céu que capturava todos os tipos de objetos que libertam luz, entram em erupção ou de outro modo variam no céu noturno. Uma libertação de luz que o levantamento captou, gerada por um buraco negro supermassivo ativo e distante, ou quasar, chamado J1249+3449, foi identificado na região do evento de ondas gravitacionais S190521g.

"Este buraco negro supermassivo era já ativo anos antes deste surto mais abrupto," diz Matthew Graham, professor de astronomia no Caltech e cientista do projeto ZTF. "O surto ocorreu na escala de tempo certa e no local certo, para coincidir com o evento de ondas gravitacionais. No nosso estudo, concluímos que o surto provavelmente foi o resultado de uma fusão de buracos negros, mas não podemos descartar completamente outras possibilidades." Graham é o autor principal do novo estudo, publicado dia 25 de junho na revista Physical Review Letters.

"O ZTF foi construído especificamente para identificar tipos novos, raros e variáveis de atividade astronómica como esta," diz Ralph Gaume, diretor da Divisão de Ciências Astronómicas da NSF. "O suporte de novas tecnologias pela NSF continua a expandir o modo como podemos rastrear estes eventos."

Como é que dois buracos negros em fusão podem libertar luz? No cenário delineado por Graham e colegas, dois buracos negros parceiros estavam aninhados dentro de um disco em redor de um buraco negro muito maior.

"No centro da maioria das galáxias, esconde-se um buraco negro supermassivo. É rodeado por um enxame de estrelas e remanescentes estelares, incluindo buracos negros," diz a coautora K. E. Saavik Ford da Centro de Graduação da CUNY (City University of New York), da BMCC (Borough of Manhattan Community College) e do AMNH (American Museum of Natural History). "Estes objetos pululam como abelhas zangadas em torno da monstruosa abelha rainha no centro. Podem encontrar brevemente parceiros gravitacionais e formar pares, mas geralmente perdem os seus parceiros rapidamente para esta dança louca. Mas no disco de um buraco negro supermassivo, o gás converte o enxame num minueto clássico, organizando os buracos negros para que possam formar pares," explica.

Depois da fusão dos buracos negros, o novo buraco negro, agora maior, é chutado numa direção aleatória e varre o gás no disco. "É a reação do gás a esta 'bala veloz' que cria o clarão brilhante, visível com telescópios," diz o coautor Barry McKernan, também do Centro de Graduação da CUNY, da BMCC e do AMNH.

Prevê-se que tal surto comece dias ou semanas após a libertação inicial de ondas gravitacionais produzidas durante a fusão. Neste caso, o ZTF não capturou o evento imediatamente, mas quando os cientistas voltaram para examinar as imagens de arquivo do ZTF meses depois, encontraram um sinal que começou dias após o evento de ondas gravitacionais de maio de 2019. O ZTF observou o surto a desaparecer lentamente ao longo de um período de um mês.

Os cientistas tentaram obter uma visão mais detalhada da luz do buraco negro supermassivo, a que chamamos espectro, mas quando o observaram, a libertação de luz já havia desaparecido. Um espectro teria fornecido mais apoio à ideia de que o surto tinha vindo da fusão de buracos negros dentro do disco do buraco negro supermassivo. No entanto, os investigadores dizem que foram capazes de descartar outras possíveis causas para o surto observado, incluindo uma supernova ou um evento de perturbação de marés, que ocorre quando um buraco negro essencialmente "come" uma estrela.

Além disso, a equipa afirma que não é provável que o surto de luz tenha ocorrido devido aos fenómenos habituais do buraco negro supermassivo, que regularmente se alimenta do disco circundante. Usando o CRTS (Catalina Real-Time Transient Survey), liderado pelo Caltech, foram capazes de avaliar o comportamento do buraco negro ao longo dos últimos 15 anos e descobriram que a sua atividade era relativamente normal até maio de 2019, quando se intensificou repentinamente.

"Os buracos negros supermassivos como este têm erupções a toda a hora. Não são objetos silenciosos, mas o momento, tamanho e localização deste surto foi espetacular," diz o coautor Mansi Kasliwal, professor assistente de astronomia no Caltech. "A razão pela qual a busca por explosões como esta é tão importante é que ajuda bastante a responder a questões da astrofísica e da cosmologia. Se pudermos fazer isto novamente e detetar a luz das fusões de outros buracos negros, podemos definir melhor os locais de origem destes buracos negros e aprender mais sobre as suas origens."

O buraco negro recém-formado deverá provocar outro surto nos próximos anos. O processo de fusão deu ao objeto um impulso que deverá fazer com que este entre novamente no disco do buraco negro supermassivo, produzindo outra libertação de luz que o ZTF deverá conseguir observar.

 


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// Caltech (comunicado de imprensa)
// Centro de Graduação da CUNY (comunicado de imprensa)
// NASA JPL (comunicado de imprensa)
// Universidade do Minnesota (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (Physical Review Letters)
// Artigo científico (arXiv.org)

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