Ondas gravitacionais 'chutam' buraco negro monstruoso para fora de núcleo galáctico

Astrônomos descobriram um buraco negro supermassivo que tem sido impulsionado para fora do centro de uma galáxia distante com o que poderia ser o incrível poder de ondas gravitacionais.

Esta imagem, obtida pelo Telescópio Espacial Hubble da NASA, revela uma visão incomum: um quasar fugitivo fugindo do hub central da sua galáxia. Um quasar é o visível assinatura, energético de um buraco negro. Os buracos negros não podem ser observados diretamente, mas eles são a fonte de energia no centro dos quasares - intensas, gushers compactas de radiação que pode ofuscar uma galáxia inteira. Créditos: NASA, ESA, e M. Chiaberge (STScI e JHU)

Embora tenha havido vários outros buracos negros  suspeitos semelhantes que podem ter se formado em outros lugares, nenhum foi confirmado até agora. Os astrônomos acreditam que este objeto, detectado pelo telescópio espacial Hubble da NASA, é um caso muito forte. Pesando mais de 1 bilhão de sóis, o buraco negro ladino é o buraco negro mais maciço já detectado a ser expulso de sua casa central.

Pesquisadores estimam foi preciso a energia equivalente a 100 milhões de supernovas explodindo simultaneamente para expulsar o buraco negro. A explicação mais plausível para essa energia propulsora é que o objeto monstro foi chutado por ondas gravitacionais desencadeadas pela fusão de dois buracos negros pesados no centro da galáxia hospedeira.

Primeiramente previsto por Albert Einstein, as ondas gravitacionais são ondulações no espaço que são criadas quando dois objetos massivos colidem. As ondulações são semelhantes aos círculos concêntricos produzidos quando uma rocha é jogada em uma lagoa. No ano passado, o Gravitational-Wave Observatory Laser Interferometer (LIGO) ajudou os astrônomos provar que as ondas gravitacionais existem. Elas emanaram através da união de dois buracos negros de massa estelar, que são várias vezes mais massivos que o Sol.

Observações do buraco negro rebelde do Hubble surpreenderam a equipe de pesquisa. "Quando eu vi pela primeira vez, pensei que estávamos vendo algo muito peculiar", disse o líder de equipe, Marco Chiaberge, do Space Telescope Science Institute (STScI) e Johns Hopkins University, em Baltimore, Maryland. "Quando nós combinamos observações do Hubble, do Observatório de raios-X Chandra e do Sloan Digital Sky Survey, tudo apontava para o mesmo cenário. A quantidade de dados que coletamos, de raios-X para ultravioleta à luz infravermelha próxima, é definitivamente maior do que qualquer um dos outros candidatos a buracos negros solitários ".

Esta ilustração mostra como ondas gravitacionais podem impulsionar um buraco negro do centro de uma galáxia. O cenário começa no primeiro painel com a fusão de duas galáxias, cada uma com um buraco negro central. No segundo painel, os dois buracos negros na galáxia recém-fundida no centro começam a girar em torno de si. Esta ação enérgica produz ondas gravitacionais. À medida que os dois objetos pesados continuam a irradiar energia gravitacional à distância, eles se movem mais próximos uns dos outros ao longo do tempo, como  visto no terceiro painel. Se os buracos negros não têm a mesma massa e velocidade de rotação, eles emitem ondas gravitacionais mais fortemente em uma direção, como mostrado pela área brilhante no canto superior esquerdo. Os buracos negros finalmente fundem-se no quarto painel, formando um buraco negro gigante. A energia emitida pela fusão impulsiona o buraco negro do centro na direção oposta com as mais fortes ondas gravitacionais. Creditos: NASA, ESA, and A. Feild (STScI)

O artigo de Chiaberge aparece na edição de 30 de março de Astronomia e Astrofísica.

Imagens do Hubble tiradas em luz visível e infravermelho próximo, deram o primeiro indício de que a galáxia era incomum. As imagens revelaram um quasar brilhante, a assinatura energética de um buraco negro, residente longe do núcleo galáctico. Os buracos negros não podem ser observados diretamente, mas eles são a fonte de energia no centro dos quasares - intensas objetos compactos de radiação que podem ofuscar uma galáxia inteira. O quasar, chamado de 3C 186, e sua galáxia hospedeira, residem 8 bilhões de anos-luz de distância em um aglomerado de galáxias. A equipe descobriu características peculiares da galáxia durante a realização de uma pesquisa de Hubble das galáxias distantes desencadeando explosões poderosas de radiação no meio de fusões de galáxias.

"Eu estava observando fusões de galáxias e esperando para ver galáxias hospedeiras desarrumarem em torno dos quasares, mas eu realmente não estava esperando ver um quasar que foi claramente compensado a partir do núcleo de uma galáxia em forma regular", lembrou Chiaberge. "Os buracos negros residem no centro das galáxias, por isso é incomum ver um quasar que não esteja  no centro."

A equipe calculou a distância do buraco negro a partir do núcleo, comparando a distribuição da luz das estrelas na galáxia hospedeira com a de uma galáxia elíptica normal a partir de um modelo de computador. O buraco negro tinha viajado mais de 35.000 anos-luz do centro, que é mais do que a distância entre o Sol e o centro da Via Láctea.

Com base em observações espectroscópicas tomadas pelo Hubble e o Sloan, os pesquisadores estimaram a massa do buraco negro e mediram a velocidade do gás aprisionado próximo do objeto gigante. A espectroscopia divide a luz nas suas cores componentes, que podem ser utilizadas para medir velocidades no espaço. "Para nossa surpresa, descobrimos que o gás ao redor do buraco negro estava voando longe do centro da galáxia em 4.7 milhões de milhas por hora", disse o membro da equipe, Justin Ely, do STScI. Esta medição é também um medidor de velocidade do buraco negro, porque o gás é bloqueado gravitacionalmente ao objeto monstro.

Os astrônomos calcularam que o buraco negro está se movendo tão rápido que iria viajar da Terra à Lua em três minutos. Isso é rápido o suficiente para o buraco negro escapar da galáxia em 20 milhões de anos e vagar pelo universo para sempre.

A imagem do Hubble revelou uma pista interessante que ajudou a explicar localização desse buraco negro rebelde. A galáxia tem características em forma de arco fracos chamados caudas de maré, produzidos pela força gravitacional entre duas galáxias em colisão. Esta evidência sugere uma possível união entre o sistema 3C 186 e outra galáxia, cada uma com buracos negros maciços centrais que podem ter se fundido eventualmente.

Com base nesta evidência visível, juntamente com o trabalho teórico, os pesquisadores desenvolveram um cenário para descrever como o buraco negro gigante pode ser sido expulso da sua casa central. De acordo com sua teoria, duas galáxias se fundiram, e seus buracos negros acomodam-se no centro da galáxia elíptica recém-formada. Como os buracos negros giram em torno de si, as ondas gravitacionais são arremessadas ​​para fora como a água de um irrigador de grama. Os objetos pesados aproximam-se uns dos outros ao longo do tempo a medida que eles irradiam energia gravitacional à distância. Se os dois buracos negros não têm a mesma massa e velocidade de rotação, eles emitem ondas gravitacionais mais fortemente ao longo de uma direção. Quando os dois buracos negros colidem, eles param de produzir ondas gravitacionais. O buraco negro recém-fundido em seguida, recua na direção oposta das mais fortes ondas gravitacionais e dispara como um foguete.

Os investigadores têm a sorte de ter captado este evento único porque nem todos os buraco negro binários produzem ondas gravitacionais desequilibradas que impulsionam outro buraco negro na direção oposta. "Esta assimetria depende de propriedades como a massa e a orientação relativa dos eixos de rotação dos buracos negros 'antes da fusão'", disse o membro da equipe, Colin Norman, do STScI e da Johns Hopkins University. "É por isso que esses objetos são tão raros."

Uma explicação alternativa para o quasar, embora improvável, propõe que o objeto brilhante não reside dentro da galáxia. Em vez disso, o quasar está localizado atrás da galáxia, mas a imagem do Hubble dá a ilusão de que ele está à mesma distância da galáxia. Se este fosse o caso, os pesquisadores deveriam ter detectado uma galáxia no fundo hospedando o quasar.

Se a interpretação dos pesquisadores estiver correta, as observações podem fornecem fortes evidências de que os buracos negros supermassivos podem realmente se fundir. Os astrónomos têm evidências de colisões de buracos negros de massa estelar, mas o processo de regulação de buracos negros supermassivos é mais complexo e não totalmente esclarecido.

A equipe espera usar o Hubble novamente, em combinação com o Atacama Large Millimeter/submillimeter Array  (ALMA) e outros telescópios, para medir com mais precisão a velocidade do buraco negro e seu disco de gás, o que pode render mais insights sobre a natureza deste objeto bizarro.

NASA