Colisões de galáxias são eventos fundamentais no Universo. Elas acontecem quando dois sistemas misturam estrelas em uma dança cósmica. Elas também causam fusões espetaculares de buracos negros supermassivos. O resultado é uma galáxia muito alterada e um buraco negro singular e ultramassivo.
Esses eventos colossais são uma força importante na evolução das galáxias. É como galáxias menores se combinam para formar outras cada vez maiores. Essas fusões acontecem desde as primeiras épocas do tempo cósmico. As fusões de galáxias continuam hoje. Nossa Via Láctea continua a engolir as menores e colidirá com a Galáxia de Andrômeda em alguns bilhões de anos. Quando isso acontecer, os buracos negros supermassivos de ambas as galáxias também poderão se fundir.
Não vemos todo o processo do início ao fim porque ele leva milhões de anos para ser concluído. No entanto, isso não impede os astrônomos de procurar — e encontrar — evidências de colisões de galáxias e buracos negros supermassivos. A descoberta mais recente usou o Telescópio Espacial Hubble (HST) para localizar três “pontos quentes” de luz brilhante e visível nas profundezas de um par de galáxias em colisão. Esses alvos ficam relativamente próximos de nós — a apenas cerca de 800 milhões de anos-luz de distância. Os astrônomos seguiram com observações do Chandra e dados de rádio do Karl G. Jansky Very Large Array.
Normalmente, galáxias com núcleos brilhantes, chamados de “núcleos galácticos ativos” (AGN, para abreviar), existem muito distantes. Elas são frequentemente vistas mais cedo no tempo cósmico. A chance de estudar uma galáxia e um par de buracos negros supermassivos em uma colisão no Universo próximo “moderno” é um bom momento para estudar a mecânica de tal evento.
Detectando colisões incipientes de buracos negros supermassivos
A descoberta de uma futura colisão cósmica ocorreu quando a Advanced Camera for Surveys do HST avistou três picos de difração óptica no coração de uma galáxia em colisão chamada MCG-03-34-64. Dois desses “pontos quentes” parecem muito próximos um do outro — apenas cerca de 300 anos-luz de distância. Eles traçam a presença de gás oxigênio no núcleo. Ele está sendo ionizado por algo muito energético e os pontos quentes surpreenderam os astrônomos. (O terceiro ponto quente não é bem compreendido.) “Não esperávamos ver algo assim”, disse Anna Trindade Falcão do Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian em Cambridge, Massachusetts. “Esta visão não é uma ocorrência comum no Universo próximo e nos disse que há algo mais acontecendo dentro da galáxia.”
Falcão e seus colegas queriam saber o que estava acontecendo para causar aqueles pontos brilhantes. Então, eles usaram o observatório de raios X Chandra para focar na ação. “Quando olhamos para MCG-03-34-64 na banda de raios X, vimos duas fontes separadas e poderosas de emissão de alta energia coincidentes com os pontos ópticos brilhantes de luz vistos com o Hubble. Colocamos essas peças juntas e concluímos que provavelmente estávamos olhando para dois buracos negros supermassivos muito próximos”, disse Falcão.
A equipe também encontrou observações desses objetos em dados de radiotelescópios de arquivo. Essas poderosas emissões de rádio provaram que o par de buracos negros existe e está se aproximando. “Quando você vê luz brilhante em comprimentos de onda ópticos, raios X e rádio, muitas coisas podem ser descartadas, deixando a conclusão de que eles só podem ser explicados como buracos negros próximos”, observou Falcão. Quando você junta todas as peças, isso lhe dá a imagem da dupla AGN.”
A próxima colisão
Esses buracos negros supermassivos centrais colidirão em talvez cem milhões de anos. Cada um está no centro de uma única galáxia. À medida que essas galáxias se aproximam cada vez mais, os buracos negros em seus corações começarão a interagir. Eventualmente, eles se fundirão em um evento poderoso, emitindo ondas gravitacionais como parte do processo.
Astrônomos sugerem (por meio de simulações e observações) que fusões de galáxias com buracos negros supermassivos desencadeiam muita atividade. À medida que as colisões prosseguem, o gás interestelar flui em direção aos centros galácticos. Ele também é comprimido em outras regiões e ambas as atividades desencadeiam explosões de formação de estrelas. Algum gás também se acumula nesses buracos negros supermassivos centrais, causando aumento de emissões à medida que o material espirala através do disco de acreção.
Essas fusões acontecem continuamente no Universo. Modelos de evolução de galáxias, juntamente com evidências observacionais, sugerem que muitos AGNs no coração das galáxias passam por fusões. Pares de buracos negros supermassivos em colisão dentro desses AGNs também sugerem que esses buracos negros crescem por meio de fusões.
Colisões de buracos negros supermassivos e futuras detecções
Entender a fusão de AGNs próximos, como os vistos no MCG MCG-03-34-64, oferece uma janela única para os estágios finais do que os astrônomos chamam de “coalescência binária SMBH”. Tais eventos são e continuarão a ser uma maneira importante de medir os efeitos dessas fusões. Eles oferecerão um rico campo de estudo usando observatórios sensíveis à luz em todo o espectro, bem como futuros detectores de ondas gravitacionais.
Essas detecções exigirão versões avançadas do Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), que fez suas primeiras detecções há apenas alguns anos. Ondas gravitacionais induzidas por fusões de buracos negros supermassivos serão o alvo de instrumentos futuros como o LISA (abreviação de Laser Interferometer Space Antenna). Ele implantará três detectores baseados no espaço a milhões de milhas de distância para capturar as ondas gravitacionais de longo comprimento de onda emitidas quando gigantes de buracos negros como os do MCG-03-34-64 colidem. Como essas fusões ocorrem em todo o Universo, será um rico campo de estudo que contribuirá muito para nossa compreensão das fusões de galáxias como parte da evolução cósmica.
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