Em setembro de 2022, os astrónomos repararam numa característica intrigante numa imagem de uma galáxia situada a cerca de 7,5 mil milhões de anos-luz da Terra. Uma linha fina que se estendia por mais de 202.000 anos-luz apontava diretamente para longe do centro da galáxia. A sua extremidade dianteira era um ponto não resolvido, sem estrelas detetáveis, que se afastava a uma velocidade de quase 1000 quilómetros por segundo.

Os cientistas que a avistaram interpretaram a característica como um buraco negro supermassivo a atravessar o espaço intergaláctico, desencadeando a formação de estrelas no seu rasto. Agora, investigadores da Universidade da Califórnia em Santa Barbara e da Universidade do Texas em Austin publicaram um artigo científico acerca do violento evento que poderá ter lançado este gigante para fora da sua galáxia hospedeira.

As descobertas, publicadas na revista Physical Review Letters, constituem o primeiro relato de uma classe de fusões de buracos negros prevista pela relatividade geral e vão ajudar os cientistas a prepararem-se para a próxima geração de observatórios de ondas gravitacionais.

Uma colisão espetacular

A fusão de buracos negros produz fortes ondas gravitacionais à medida que os objetos massivos distorcem o espaço-tempo e espiralam um em direção ao outro. Se o sistema estiver desequilibrado, estas ondas podem gerar um impulso suficiente para lançar o buraco negro recém-formado e de maiores dimensões numa trajetória totalmente diferente, "como o recuo de um canhão disparado", afirmou o coautor Tejaswi Venumadhav, professor associado do Departamento de Física da UCSB.

Os autores de um artigo científico anterior tinham batizado o buraco negro que observaram de RBH-1. E, depois de analisarem a situação, propuseram que este se estava a dirigir para o espaço intergaláctico.

Venumadhav e os seus coautores retomaram o trabalho onde os seus colegas o tinham deixado, trabalhando de forma retrospetiva, tal como detetives forenses que reconstroem um acidente a partir dos destroços e dos rastos de pneus. Simularam centenas de milhares de pares hipotéticos de buracos negros, calcularam o recuo que cada um teria produzido e mantiveram apenas aqueles que correspondiam à velocidade de RBH-1.

As simulações revelaram que os buracos negros originais teriam tamanhos semelhantes, com um a ter, no máximo, seis vezes a massa do outro. Dito isto, mesmo o recuo resultante de uma grande fusão teria atingido um máximo de cerca de 200 km/s, muito aquém dos vertiginosos 1000 km/s que os astrónomos tinham observado.

"Os dois buracos negros tinham de estar a girar depressa", explicou o autor principal, Tousif Islam, investigador de pós-doutoramento no KITP (Kavli Institute for Theoretical Physics) da UCSB. "E os seus eixos tinham de estar desalinhados".

Os autores calcularam que o mais massivo dos dois devia estar a girar a 70–75% do máximo permitido pela relatividade geral, com a sua rotação inclinada e com um efeito de precessão semelhante a um pião a oscilar. "Inicialmente, fiquei surpreendido com o quão extremo isto soa", disse Venumadhav, "mas depois percebi que provavelmente tinha de ser assim para ter produzido a dramática característica visível nos telescópios".

Esta configuração espetacular revela-nos mais sobre a galáxia onde estes buracos negros habitavam. Ou será que devemos dizer "galáxias"?

O panorama geral

Os buracos negros enormes parecem ter-se formado numa fase relativamente precoce da história do cosmos. Mas quando os progenitores de RBH-1 se encontraram, há mais de 7,5 mil milhões de anos, os buracos negros supermassivos vizinhos já se teriam consolidado, deixando um único gigante no centro de cada galáxia. Assim, este par não se teria encontrado a menos que as próprias galáxias onde se encontravam tivessem colidido.

E com base nas rotações dos buracos negros iniciais, Islam, Venumadhav e o coautor Digvijay Wadekar, da Universidade do Texas em Austin, concluíram que a rotação destas galáxias provavelmente também estava desalinhada. Calcularam ainda a relação de massas, descobrindo que a galáxia maior era, no máximo, quatro vezes maior do que a menor.

A galáxia resultante, designada GX no artigo científico, ainda apresenta alguns sinais da sua perturbação anterior. "Não parece ter-se estabilizado a 100%", afirmou Islam, "mas já se estabilizou bastante". Quando os dois buracos negros se fundiram, GX já se tinha reagrupado num todo relativamente coeso ao longo de 70 milhões de anos.

Inicialmente, os cientistas descartaram essa linha como um artefacto de imagem das câmaras do Hubble. No entanto, observações espetroscópicas posteriores revelaram que se trata de uma cadeia de estrelas azuis jovens com 200.000 anos-luz de comprimento, que aponta para a galáxia no canto superior direito. Crédito: NASA, ESA, Pieter van Dokkum (Yale); processamento da imagem - Joseph DePasquale (STScI)

Olhando para o futuro, olhando para o passado

O estudo surgiu de colaborações realizadas no âmbito de um programa de longo prazo no KITP. "Beneficiámos do contacto com astrónomos de todo o mundo que para lá se tinham deslocado para participar", afirmou Islam. Os resultados irão agora orientar trabalhos futuros na interface entre a astrofísica das ondas gravitacionais e as fusões de galáxias.

A relatividade geral prevê que 5 a 10% destas fusões deveriam dar ao buraco negro resultante um grande impulso, mas esta é a primeira vez que os cientistas observam um objeto que se enquadra nessa descrição. Os astrónomos só reconheceram RBH-1 como um destes buracos negros fugitivos porque deram seguimento à observação inicial do Hubble, em 2022, com o novo Telescópio Espacial James Webb, em 2025. "Antes, não dispúnhamos da tecnologia", afirmou Islam. "Agora que temos o JWST, esperamos que esta seja a primeira de muitas observações deste tipo". E isso é importante para futuras linhas de investigação.

Os buracos negros podem ter muitos tamanhos diferentes, mas dividem-se principalmente em dois grupos principais: os buracos negros supermassivos têm uma massa milhões a milhares de milhões de vezes superior à do Sol, e normalmente existe apenas um por galáxia. Por outro lado, os buracos negros de massa estelar, muito mais numerosos, têm apenas 20 a 30 vezes a massa do Sol.

Os observatórios de ondas gravitacionais, como o LIGO e o Virgo, conseguem captar os sinais que os buracos negros mais pequenos produzem quando se fundem. "Mas quando os buracos negros supermassivos se fundem, emitem numa frequência muito mais baixa", explicou Islam.

Estão em curso esforços para construir um observatório de ondas gravitacionais em órbita, denominado LISA, que será suficientemente grande para captar estes canais de baixa frequência. A observação de mais destes objetos em movimento rápido, resultantes de fusões de buracos negros supermassivos, com o Telescópio Espacial James Webb, proporcionará aos cientistas uma melhor compreensão destes fenómenos. "Isto estabelece uma ligação entre o que os telescópios veem e o que o LISA irá ouvir", disse Venumadhav.

// Universidade da Califórnia em Santa Barbara (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (Physical Review Letters)
// Artigo científico (arXiv)

Quer saber mais?

Buraco negro supermassivo:
Wikipedia

Ondas gravitacionais:
GraceDB (Gravitational Wave Candidate Event Database)
Wikipedia
Astronomia de ondas gravitacionais – Wikipedia
Ondas gravitacionais: como distorcem o espaço – Universe Today
Detetores: como funcionam – Universe Today
As fontes de ondas gravitacionais – Universe Today
O que é uma onda gravitacional (YouTube)

JWST (Telescópio Espacial James Webb):
NASA
STScI
ESA
ESA/Webb
Wikipedia
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Blog do JWST (NASA)
NIRISS (NASA)
NIRCam (NASA)
MIRI (NASA)
NIRSpec (NASA)

Telescópio Espacial Hubble:
Hubble, NASA 
ESA
STScI
Base de dados do Arquivo Mikulski para Telescópios Espaciais
Arquivo de Ciências do eHST
Wikipedia