Mrk 501 poderá revelar uma colisão de buracos negros supermassivos em menos de 100 anos

Um brilho intenso vindo de uma galáxia a cerca de 500 milhões de anos-luz pode vir a dar-nos um lugar na primeira fila, em tempo real e em escalas humanas, para assistir à colisão de dois buracos negros supermassivos - possivelmente dentro de apenas um século.

Uma reavaliação recente da luz invulgar emitida pela galáxia blazar Mrk 501 aponta para um cenário surpreendente: em vez de existir um único buraco negro supermassivo, poderão existir dois, e cada um deles poderá estar a alimentar o seu próprio jacto de matéria a alta velocidade. Não se trata ainda de uma detecção definitiva; ainda assim, de acordo com um estudo liderado pela astrónoma Silke Britzen, do Instituto Max Planck de Radioastronomia, na Alemanha, esta é, neste momento, a explicação mais consistente para o comportamento estranho observado na galáxia.

A confirmar-se, isto colocaria muito perto de nós um dos grandes “santos graais” da cosmologia: a primeira observação de uma fusão entre buracos negros supermassivos, com massas de milhões a milhares de milhões de vezes a massa do Sol.

"Até ao momento, nenhum sistema de jactos duplos num núcleo de blazar foi detectado através de imagiologia directa", escrevem Britzen e colegas. "Assim, o presente trabalho reporta a primeira detecção de um sistema de jactos duplos, levando à inferência de um binário de buracos negros supermassivos no interior do núcleo deste blazar."

Buracos negros supermassivos no centro das galáxias

Pensa-se que buracos negros supermassivos se escondem no coração de todas as grandes galáxias, funcionando como o núcleo cósmico em torno do qual o resto da galáxia orbita. Estes gigantes podem atingir massas extraordinárias e levantam vários problemas difíceis de resolver.

Um dos mais prementes é perceber como, afinal, conseguem crescer tanto. Os buracos negros de massa estelar - tipicamente com dezenas de massas solares - formam-se a partir dos núcleos colapsados de estrelas massivas no fim da sua vida. Sabe-se também que estes podem fundir-se para produzir objectos maiores, sendo que o maior conhecido ronda cerca de 225 massas solares.

Já os caminhos de formação e evolução que levam a buracos negros com massas milhões de vezes superiores permanecem bem mais enigmáticos. Em parte, isto deve-se ao facto de ainda não dispormos das ferramentas necessárias para detectar ondas gravitacionais provenientes de uma única fusão de buracos negros supermassivos - precisamente a via mais directa para perceber como crescem através de sucessivas fusões.

Ainda assim, estes buracos negros supermassivos não são tão discretos como os seus “parentes” muito mais pequenos. Com frequência, estes colossos engolem enormes quantidades de material, que se organiza num disco em rotação à sua volta, aquece à medida que se aproxima e brilha intensamente.

Além disso, uma parte do material em queda pode ser desviada ao longo de linhas de campo magnético para fora do horizonte de eventos. Essa matéria é acelerada em direcção aos pólos do buraco negro e, daí, expelida com enorme violência sob a forma de um jacto de plasma, luminoso em rádio. Tanto o disco incandescente como os jactos ultrarrápidos podem ser detectados pelos nossos telescópios - a assinatura reveladora de um buraco negro supermassivo “voraz”.

Um blazar chamado Mrk 501 e um possível binário de buracos negros supermassivos

Há muito que se sabe que as galáxias colidem e crescem - e existem inúmeros exemplos de colisões galácticas em curso por todo o Universo. Quando isso acontece, os buracos negros supermassivos nos respectivos centros tendem a ser atraídos um para o outro. Também já foram identificadas várias galáxias pós-fusão com dois ou mais buracos negros supermassivos no núcleo, presos numa órbita em espiral que, em princípio, os deverá aproximar até à união final.

A Mrk 501, situada a cerca de 464 milhões de anos-luz, é uma galáxia onde os astrónomos há algum tempo suspeitam da presença de um binário de buracos negros supermassivos. Contudo, há aqui um obstáculo importante: a Mrk 501 é um blazar, isto é, uma galáxia com um buraco negro supermassivo activo cujo jacto relativístico está apontado quase directamente para a Terra. Como resultado, a fonte é extraordinariamente brilhante em praticamente todo o espectro electromagnético, o que torna particularmente difícil analisar o núcleo em grande detalhe.

Para contornar esse desafio, Britzen e a sua equipa recorreram a radiotelescópios de resolução ultra-elevada, acompanhando a evolução do centro da Mrk 501 em múltiplos comprimentos de onda no rádio. O conjunto de observações estendeu-se por cerca de 23 anos, o que lhes permitiu seguir, ao longo do tempo, estruturas brilhantes no jacto.

O que os jactos e a luz variável podem estar a revelar

A partir da forma como essas características mudavam, os investigadores reconstruíram como o material se desloca nas proximidades do “motor” central da galáxia - e foi aí que surgiu algo fora do comum. O padrão obtido parecia indicar a existência de um segundo jacto, mais ténue, que aparenta descrever um movimento em laço no sentido anti-horário em torno do núcleo observado no rádio.

"Avaliar os dados foi como estar num navio", afirma Britzen. "Todo o sistema de jactos está em movimento. Um sistema com dois buracos negros pode explicar isto: o plano orbital oscila."

De seguida, a equipa modelou o movimento observado e concluiu que a explicação mais simples para aquele comportamento é a presença de um segundo buraco negro supermassivo. No brilho variável, identificaram dois períodos distintos. Um deles era de sete anos, e os autores consideraram-no compatível com uma oscilação do sistema de jactos, à semelhança de um pião a cambalear.

O outro período era de cerca de 121 dias; segundo os investigadores, isto poderá ser consistente com o período orbital de dois buracos negros separados por uma distância entre 250 e 540 vezes a distância entre a Terra e o Sol. Para objectos tão enormes quanto buracos negros supermassivos, trata-se de uma separação extremamente pequena.

Essa distância corresponde, além disso, a uma fracção muito pequena de um parsec (cerca de 3,2 anos-luz). E isto é particularmente relevante por causa do chamado problema do parsec final.

De acordo com os modelos, à medida que dois buracos negros supermassivos orbitam entre si, vão transferindo energia orbital para as estrelas e o gás circundantes, o que faz a órbita encolher progressivamente. No entanto, quanto mais a separação diminui, menor é também a quantidade de matéria disponível para lhes “roubar” momento.

Quando atingem cerca de um parsec de distância, o ambiente galáctico em redor já pode não conseguir sustentar mais decaimento orbital. Assim, a órbita poderá estagnar durante um período potencialmente muito longo - até mais longo do que a idade actual do Universo.

Se a Mrk 501 albergar, de facto, um binário de buracos negros supermassivos, a separação orbital do par será, no máximo, de apenas 0.0026 parsecs - o que sugere que estes binários conseguem, de algum modo, ultrapassar uma barreira que a física nos diz ser muito difícil de vencer.

Buracos negros supermassivos… coisas mesmo incríveis.

O problema do parsec final e uma possível colisão em menos de 100 anos

Se este binário (ainda por confirmar) estiver tão apertado quanto os dados sugerem, o tempo até à colisão poderá ser extraordinariamente curto - menos de 100 anos, segundo os investigadores. Por isso, vale a pena manter a MRK 501 sob vigilância, em particular com redes de cronometragem de pulsares, capazes de detectar as ondas gravitacionais de baixa frequência que o sistema poderá emitir.

"Se forem detectadas ondas gravitacionais", diz o astrónomo Héctor Olivares, da Universidade Radboud, nos Países Baixos, "poderemos até ver a sua frequência subir de forma constante à medida que os dois gigantes espiralam rumo à colisão, oferecendo uma oportunidade rara de acompanhar uma fusão de buracos negros supermassivos a desenrolar-se."

O artigo foi aceite para publicação nas Notícias Mensais da Sociedade Astronómica Real.