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É a primeira vez que dois objetos supermaciços do tipo são detectados a ponto de se fundirem em um único gigante no centro de uma galáxia distante
Os centros de quase todas as galáxias, inclusive nossa Via Láctea, abrigam buracos negros supermaciços, objetos com massas equivalentes a milhões e até bilhões de vezes a do Sol cuja gravidade é tão poderosa que nem a luz pode escapar. E seus enormes tamanhos são creditados ao próprio processo de evolução das galáxias. Ao colidirem e se fundirem umas com as outras, também o fazem seus buracos negros centrais, que assim vão ficando cada vez maiores.
Nas últimas décadas, os astrônomos detectaram vários destes pares de buracos negros em rota de colisão, mas agora, pela primeira vez, uma dupla foi flagrada a ponto de se unir, numa observação que pode ajudar a esclarecer o mistério do que acontece nos estágios finais deste processo. É o chamado "problema do parsec final", uma referência ao fracasso dos atuais modelos teóricos em prever, por exemplo, como e em quanto tempo ocorre a fusão definitiva destes buracos negros gigantes ("parsec" é uma medida de distância astronômica equivalente a cerca de 3,6 anos-luz).
- Os estágios finais da fusão destes buracos negros supermaciços são muito pouco compreendidos - conta Matthew Graham, pesquisador do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech) e primeiro autor de artigo sobre a descoberta, publicado na edição desta semana da revista "Nature". - A descoberta de um sistema que parece estar neste estágio final de sua evolução significa que agora temos uma ferramenta observacional do que está acontecendo.
Mas como não deixam nem a luz escapar das garras de sua gravidade, os buracos negros não podem ser vistos diretamente. Felizmente para os astrônomos, porém, boa parte deles está cercada por nuvens circulantes de material, chamadas discos de acreção, que são aceleradas a altas velocidades à medida que são puxadas por eles, num processo que libera enormes quantidades de energia na forma de calor e radiação, como poderosos raios-X e gama e mesmo luz visível.
Quando isto acontece em um buraco negro supermaciço, o resultado é chamado de quasar, um objeto tão brilhante ao longo do espectro eletromagnético que chega a suplantar o brilho de todas as estrelas da galáxia que o hospeda e pode ser detectado a grandes distâncias no Universo. E foi justamente em um destes quasares, batizado PG 1302-102 e localizado a cerca de 3,5 bilhões de anos-luz da Terra, que cientistas detectaram sinais periódicos que indicam a existência de dois buracos negros gigantes nos passos derradeiros desta dança cósmica de união.
- Até agora, os únicos exemplos conhecidos de buracos negros supermaciços a caminho de se fundirem estavam separados por dezenas a centenas de milhares de anos-luz - destaca Daniel Stern, cientista do Laboratório de Propulsão a Jato da Nasa e um dos coautores do estudo. - A estas vastas distâncias, levaria muitos milhões de anos, ou até bilhões de anos, para uma colisão e fusão acontecer. Já os buracos negros no PG 1302-102 estão, no máximo, alguns centésimos de ano-luz distantes um do outro e podem se fundir em cerca de 1 milhão de anos ou menos.
Liderados por George Djorgovski, professor de astronomia do Caltech, os pesquisadores encontraram os sinais incomuns emitidos pelo quasar nos dados do Levantamento em Tempo Real de Transições Catalina (CRTS, na sigla em inglês), programa de observações astronômicas que usa três telescópios nos EUA e na Austrália para monitorar continuamente cerca de 500 milhões de objetos celestes espalhados por cerca de 80% do céu noturno. Segundo Djorgovski, também diretor do CRTS, isso permitiu acumular uma quantidade inédita de informações sobre as variações no brilho de 250 mil quasares com centenas de pontos de dados sobre cada um deles.
- Os quasares são valiosas fontes de informação sobre a evolução das galáxias e de seus buracos negros centrais - explica ele.
Djorgovski e sua equipe, no entanto, não estavam buscando flagrar uma fusão de buracos negros. Sua intenção inicial era fazer um estudo sistemático das variações no brilho dos quasares na esperança de encontrar novas pistas sobre a física em torno destes poderosos objetos. Mas depois de peneirarem os dados usando um algoritmo de busca de padrões desenvolvido por Graham, eles encontraram 20 quasares que pareciam emitir sinais óticos periódicos. Os achados surpreenderam os cientistas, já que as curvas de luz de quasares costumam ser caóticas, reflexo da natureza randômica com que o material dos discos de acreção é consumido pelos buracos negros.
- Você simplesmente não espera ver um sinal periódico vindo de um quasar e, quando isso acontece, ele se destaca - lembra Graham.
Dos 20 "quasares periódicos" identificados pelo CRTS, o PG 1302-102 foi o melhor exemplo deste processo, com um sinal forte que parecia se repetir aproximadamente a cada cinco anos.
- Ele tem um belo e suave sinal para cima e para baixo similar a uma onda senoidal, e isso simplesmente nuca tinha sido visto antes em um quasar - acrescenta Graham.
A princípio, os cientistas encararam com ceticismo a descoberta, já que havia a possibilidade de que os sinais periódicos fossem apenas uma aparente ordem temporária em um sistema de outra forma caótico. Eles então buscaram dados sobre o quasar vindos de outros levantamentos astronômicos, encontrando a mesma repetição no histórico de observações do quasar. Depois disso, sua confiança foi reforçada pela análise do espectro da luz emitida pelo plasma superaquecido do disco de acreção em torno do PG 1302-102.
- Quando você observa as linhas de emissão no espectro de um objeto, o que você está vendo realmente são informações sobre velocidade, isto é, se algo está se movendo na sua direção ou se afastando e o quão rápido. É o efeito Doppler - explica Eilat Glikman, professor de física da Faculdade Middlebury, no estado americano de Vermont, responsável por esta análise. - Com quasares, tipicamente temos apenas uma linha de emissão em uma curva simétrica. Mas neste quasar foi preciso acrescentar uma segunda linha de emissão com uma velocidade ligeiramente diferente da do primeiro para que os dados se encaixassem. Isto sugere que algo mais, como um segundo buraco negro, está perturbando este sistema.
Avi Loeb, chefe do Departamento de Astronomia da Universidade de Harvard, que não participou do estudo, concorda com a conclusão de Djorgovski e sua equipe de que os sinais periódicos que eles detectaram são provenientes de um sistema binário de buracos negros muito próximos um do outro.
- As evidências sugerem que as emissões se originam de uma região muito compacta em torno do buraco negro e que a velocidade do material emissor é de pelo menos um décimo da velocidade da luz - diz Loeb. - Um buraco negro secundário seria a maneira mais simples de induzir uma variação periódica nas emissões vindas desta região, já que um objeto menos denso, como um aglomerado estelar, seria desfeito pelo forte gravidade do buraco negro primário.
Os pesquisadores admitem, porém, que ainda não estão claros quais são os mecanismos físicos por trás dos sinais repetidos do quasar. Segundo Graham, uma possibilidade é que ao consumir o material de seu disco de acreção o objeto está produzindo dois jatos de plasma que estão girando em torno dele como os fachos de um farol. Outra é que a presença de dois buracos negros está distorcendo os disco de acreção em torno de ambos, deixando uma parte mais grossa do que o resto que bloqueia parte das emissões a intervalos regulares. Por fim, algo pode estar acontecendo no próprio disco de acreção que faz com que ele despeje mais material nos buracos negros de maneira regular, o que resulta em periódicas explosões de energia.
- Mas apesar de poderem existir numerosos mecanismos físicos por trás da periodicidade que estamos observando, sejam jatos, distorções no disco de acreção ou despejos periódicos, todos estariam sendo fundamentalmente provocados pela presença de um sistema binário lá - conclui Graham.
