Astrônomos desvendam o mistério do binário do buraco negro mais pesado do universo

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A fusão de dois buracos negros supermassivos é um fenómeno há muito previsto, embora nunca observado diretamente. Uma teoria apresentada pelos astrónomos é que estes sistemas são tão massivos que esgotam a sua galáxia hospedeira do material estelar necessário para impulsionar a sua fusão. Usando dados de arquivo do telescópio Gemini North, uma equipa de astrónomos encontrou um buraco negro binário que fornece fortes evidências que apoiam esta ideia. A equipe estima que a massa do binário seja 28 bilhões de vezes maior que a do Sol, qualificando o par como o buraco negro binário mais pesado já medido. Esta medição não só fornece um contexto valioso para a formação do sistema binário e a história da sua galáxia hospedeira, mas também apoia a teoria de longa data de que a massa de um buraco negro supermassivo binário desempenha um papel fundamental no impedimento de fusões de buracos negros supermassivos. . Crédito: NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva/M. Zamani

Dados do Gemini North fornecem uma possível explicação para o binário supermassivo buraco negroA fusão foi interrompida.

Usando dados de arquivo do telescópio Gemini North, uma equipe de astrônomos mediu o par de buracos negros supermassivos mais pesado já encontrado. A fusão de dois buracos negros supermassivos é um fenómeno há muito previsto, embora nunca observado. Este enorme par dá pistas sobre por que tal evento parece tão improvável no Universo.

Quase todas as galáxias massivas abrigam um buraco negro supermassivo no seu centro. Quando duas galáxias se fundem, os seus buracos negros podem formar um par binário, o que significa que estão numa órbita ligada um ao outro. A hipótese é que esses binários estão fadados a eventualmente se fundirem, mas isso nunca foi observado.⁽¹⁾ A questão de saber se tal evento é possível tem sido um tema de discussão entre os astrônomos há décadas. Num artigo recentemente publicado em O Jornal Astrofísicouma equipe de astrônomos apresentou novos insights sobre esta questão.

Usando dados de arquivo do telescópio Gemini Norte, metade do Observatório Internacional Gemini, operado pela NSF NOIRLab, uma equipe de astrônomos mediu o par de buracos negros supermassivos mais pesado já encontrado. A fusão de dois buracos negros supermassivos é um fenómeno há muito previsto, embora nunca observado. Este enorme par dá pistas sobre por que tal evento parece tão improvável no Universo.

Insights sem precedentes da Gemini North

A equipe usou dados do telescópio Gemini Norte no Havaí, metade do Observatório Internacional Gemini operado pelo NOIRLab da NSF, que é financiado pela Fundação Nacional de Ciência dos EUA, para analisar um buraco negro supermassivo binário localizado dentro da galáxia elíptica B2. 0402+379. Este é o único buraco negro supermassivo binário já resolvido com detalhes suficientes para ver os dois objetos separadamente,⁽²⁾ e detém o recorde de ter a menor separação já medida diretamente – apenas 24 anos-luz.⁽³⁾

Embora esta separação prenuncie uma fusão poderosa, um estudo mais aprofundado revelou que o par está estagnado a esta distância há mais de três mil milhões de anos, o que levanta a questão; Por que a demora?

O desafio das fusões de buracos negros binários

Para compreender melhor a dinâmica deste sistema e a sua fusão interrompida, a equipa recorreu a dados de arquivo do Gemini Multi-Object Spectrograph (GMOS) da Gemini North, que lhes permitiram determinar a velocidade das estrelas na vizinhança dos buracos negros. “A excelente sensibilidade do GMOS permitiu-nos mapear as velocidades crescentes das estrelas à medida que olhamos mais perto do centro da galáxia,” disse Roger Romani, professor de física da Universidade de Stanford e co-autor do artigo. “Com isso, conseguimos inferir a massa total dos buracos negros que ali residem.”

A equipe estima que a massa do binário seja 28 bilhões de vezes maior que a do Sol, qualificando o par como o buraco negro binário mais pesado já medido. Esta medição não só fornece um contexto valioso para a formação do sistema binário e para a história da sua galáxia hospedeira, mas também apoia a teoria de longa data de que a massa de um buraco negro binário supermassivo desempenha um papel fundamental no impedimento de uma potencial fusão.⁽⁴⁾

“O arquivo de dados que serve o Observatório Internacional Gemini contém uma mina de ouro de descobertas científicas inexploradas”, diz Martin Still, diretor do programa NSF para o Observatório Internacional Gemini. “As medições de massa deste buraco negro binário supermassivo extremo são um exemplo inspirador do impacto potencial de novas pesquisas que exploram esse rico arquivo.”

Formação e Futuro do Sistema Binário

Compreender como este binário se formou pode ajudar a prever se e quando ele irá se fundir – e algumas pistas apontam para a formação do par através de múltiplas fusões de galáxias. A primeira é que B2 0402+379 é um “aglomerado fóssil”, o que significa que é o resultado da fusão de estrelas e gás de um aglomerado de galáxias inteiro em uma única galáxia massiva. Além disso, a presença de dois buracos negros supermassivos, juntamente com a sua grande massa combinada, sugere que resultaram da fusão de múltiplos buracos negros mais pequenos de múltiplas galáxias.

Após uma fusão galáctica, os buracos negros supermassivos não colidem frontalmente. Em vez disso, eles começam a passar um pelo outro enquanto se estabelecem em uma órbita limitada. A cada passagem que fazem, a energia é transferida dos buracos negros para as estrelas circundantes. À medida que perdem energia, o par é arrastado cada vez mais para perto até ficarem separados por apenas anos-luz, onde a radiação gravitacional assume o controle e eles se fundem. Este processo foi observado diretamente em pares de buracos negros de massa estelar — o primeiro caso registado foi em 2015 através da deteção de ondas gravitacionais — mas nunca num binário da variedade supermassiva.

Uma fusão estagnada e potencial para uma futura união

Com o novo conhecimento da massa extremamente grande do sistema, a equipe concluiu que teria sido necessário um número excepcionalmente grande de estrelas para desacelerar a órbita do binário o suficiente para trazê-los tão perto. No processo, os buracos negros parecem ter expelido quase toda a matéria da sua vizinhança, deixando o núcleo da galáxia sem estrelas e gás. Sem mais material disponível para desacelerar ainda mais a órbita do par, a sua fusão estagnou na sua fase final.

“Normalmente, parece que as galáxias com pares de buracos negros mais leves têm estrelas e massa suficientes para unir os dois rapidamente”, disse Romani. “Como este par é tão pesado, foram necessárias muitas estrelas e gás para realizar o trabalho. Mas o binário eliminou essa matéria da galáxia central, deixando-a paralisada e acessível para o nosso estudo.”

Se o par irá superar a sua estagnação e eventualmente fundir-se em escalas de tempo de milhões de anos, ou continuar no limbo orbital para sempre, ainda está por ser determinado. Se eles se fundirem, o resultado ondas gravitacionais seriam cem milhões de vezes mais poderosos do que os produzidos pelas fusões de buracos negros de massa estelar. É possível que o par consiga conquistar essa distância final através de outra fusão de galáxias, o que injetaria material adicional no sistema, ou potencialmente um terceiro buraco negro, para desacelerar a órbita do par o suficiente para se fundir. No entanto, dado o estatuto de B2 0402+379 como aglomerado fóssil, é improvável outra fusão galáctica.

“Estamos ansiosos para acompanhar as investigações do núcleo do B2 0402+379, onde veremos quanto gás está presente”, diz Tirth Surti, estudante de Stanford e principal autor do artigo. “Isto deverá dar-nos mais informações sobre se os buracos negros supermassivos podem eventualmente fundir-se ou se permanecerão encalhados como binários.”

Notas

1. Embora existam evidências de buracos negros supermassivos que se aproximam a poucos anos-luz um do outro, parece que nenhum deles foi capaz de superar essa distância final. A questão de saber se tal evento é possível é conhecida como a questão final.parsec problema e tem sido um tópico de discussão entre os astrônomos há décadas.
2. Observações anteriores foram feitas de galáxias contendo dois buracos negros supermassivos, mas, nestes casos, eles estão separados por milhares de anos-luz – longe demais para estarem em uma órbita ligada um ao outro, como o binário encontrado em B2 0402+379.
3. Existem outras fontes alimentadas por buracos negros com possíveis separações menores, embora estas tenham sido inferidas usando observações indiretas e, portanto, possam ser melhor classificadas como candidatos binários.
4. Esta teoria foi apresentada pela primeira vez em 1980 por Begelman et al. e há muito se argumenta que ocorre com base em décadas de observações dos centros das galáxias.

Referência: “The Central Kinematics and Black Hole Mass of 4C+37.11” por Tirth Surti, Roger W. Romani, Julia Scharwächter, Alison Peck e Greg B. Taylor, 5 de janeiro de 2024, O Jornal Astrofísico.
DOI: 10.3847/1538-4357/ad14fa

A equipe é composta por: Tirth Surti (Instituto Kavli de Astrofísica e Cosmologia de Partículas, Universidade de Stanford), Roger W. Romani (Instituto Kavli de Astrofísica e Cosmologia de Partículas, Universidade de Stanford), Julia Scharwächter (Observatório Gemini/NOIRLab da NSF), Alison Peck (Universidade de Maryland) e Greg B. Taylor (Universidade do Novo México, Albuquerque).