Nova Simulação Lança Luz Sobre a Fusão de Buracos Negros Supermassivos

Um novo modelo está aproximando os cientistas da compreensão dos tipos de sinais de luz produzidos quando dois buracos negros supermassivos, que possuem milhões a bilhões de vezes a massa do Sol, espiralam em direção a uma colisão. Pela primeira vez, uma nova simulação computacional que incorpora totalmente os efeitos físicos da teoria geral da relatividade de Einstein mostra que o gás em tais sistemas irá brilhar predominantemente na luz ultravioleta e de raios X.
Em cada galáxia do tamanho da nossa Via Láctea ou maior existe um buraco negro monstro no seu centro. Observações mostram que fusões de galáxias ocorrem com frequência no Universo, mas até agora ninguém viu uma fusão desses gigantescos buracos negros.
"Sabemos que as galáxias com buracos negros supermassivos centrais se combinam o tempo todo no Universo, no entanto, vemos apenas uma pequena fração de galáxias, com dois deles perto de seus centros", disse Scott Noble, astrofísico do Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Maryland.
"Os pares que vemos não estão emitindo fortes sinais de ondas gravitacionais porque estão muito distantes um do outro. Nosso objetivo é identificar - apenas com luz - pares ainda mais próximos dos quais sinais de ondas gravitacionais possam ser detectados no futuro".
Os cientistas detectaram a fusão de buracos negros de massa estelar - que variam de cerca de três a várias dezenas de massas solares - usando o Observatório de Ondas Gravitacionais de Interferômetro a Laser da Fundação Nacional de Ciência (LIGO, na sigla em inglês). Ondas gravitacionais são ondulações no espaço-tempo viajando à velocidade da luz. Elas são criadas quando objetos maciços em órbita, como buracos negros e estrelas de nêutrons, espiralam juntos e se fundem.
Fusões supermassivas serão muito mais difíceis de encontrar do que suas primas de massa estelar. Uma razão pela qual os observatórios terrestres não podem detectar ondas gravitacionais a partir desses eventos é porque a própria Terra é muito "barulhenta", sacudindo-se de vibrações sísmicas e mudanças gravitacionais. Os detectores devem estar no espaço, como a Antena Espacial de Interferômetro a Laser (LISA, na sigla em inglês), liderada pela ESA (Agência Espacial Europeia) e planejada para ser lançada na década de 2030.
Observatórios que monitoram conjuntos de estrelas superdensas, de rápida rotação, chamadas de pulsares, podem detectar ondas gravitacionais de fusões de buracos negros supermassivos. Como faróis, os pulsares emitem feixes regulares de luz que entram e saem de vista à medida que giram. Ondas gravitacionais podem causar pequenas mudanças no tempo desses flashes, mas até agora os estudos não renderam nenhuma detecção.
Mas binários supermassivos próximos à colisão podem ter uma coisa que falta em binários de massa estelar - um ambiente rico em gás. Os cientistas suspeitam que a explosão da supernova que cria um buraco negro estelar também afugenta a maior parte do gás circundante. O buraco negro consome o pouco que resta tão rapidamente que não resta muito a brilhar quando a fusão acontece.
Binários supermassivos, por outro lado, resultam de fusões de galáxias. Cada buraco negro supermassivo traz consigo uma coleção de nuvens de gás e poeira, estrelas e planetas. Os cientistas acreditam que uma colisão de galáxias impulsiona grande parte desse material em direção aos buracos negros centrais, que o consomem em uma escala de tempo semelhante à necessária para a fusão do binário. À medida que os buracos negros se aproximam, as forças magnéticas e gravitacionais aquecem o gás restante, produzindo luz capaz de ser visível pelos astrônomos.
"É muito importante prosseguir em dois caminhos", disse a coautora Manuela Campanelli, diretora do Centro de Relatividade e Gravitação Computacional do Instituto de Tecnologia de Rochester, em Nova York, que iniciou o projeto há nove anos.
"A modelagem desses eventos requer ferramentas computacionais sofisticadas que incluem todos os efeitos físicos produzidos por dois buracos negros supermassivos que orbitam uns aos outros a uma fração da velocidade da luz. Saber quais sinais de luz esperar desses eventos ajudarão as novas tecnologias de observações a identificá-los. Modelagem e as observações serão então reunidas umas às outras, ajudando-nos a entender melhor o que está acontecendo nos corações da maioria das galáxias".
A nova simulação mostra três órbitas de um par de buracos negros supermassivos a apenas 40 órbitas da fusão. Os modelos revelam que a luz emitida nesta fase do processo pode ser dominada pela luz ultravioleta (UV) com alguns raios-X de alta energia, semelhantes ao que é visto em qualquer galáxia com um buraco negro supermassivo bem alimentado.
Três regiões de gás emissor de luz brilham quando os buracos negros se fundem, todos conectados por correntes de gás quente: um grande anel circundando todo o sistema, chamado de disco circumbinário, e dois menores em torno de cada buraco negro, chamados minidiscos. Todos esses objetos emitem predominantemente luz UV. Quando o gás flui em um mini disco a uma taxa alta, a luz UV do disco interage com a coroa de cada buraco negro, uma região de partículas subatômicas de alta energia acima e abaixo do disco. Essa interação produz raios-X. Quando a taxa de acréscimo é menor, a luz UV diminui em relação aos raios X.
Com base na simulação, os pesquisadores esperam que os raios X emitidos por uma fusão próxima sejam mais brilhantes e mais variáveis ​​do que os raios X observados em buracos negros supermassivos isolados. O ritmo das mudanças liga-se tanto à velocidade orbital do gás, localizada na borda interna do disco circumbinário, quanto à dos buracos negros que se fundem.
"A maneira como os dois buracos negros desviam a luz dá origem a efeitos complexos de lente, como quando um buraco negro passa na frente do outro", disse Stephane d'Ascoli, uma estudante de doutorado na École Normale Supérieure em Paris e principal autora do artigo. "Algumas características exóticas foram uma surpresa, como as sombras em forma de sobrancelhas que um buraco negro cria ocasionalmente perto do horizonte do outro".
A simulação ocorreu no supercomputador Blue Waters do National Center for Supercomputing Applications na Universidade de Illinois em Urbana-Champaign. A modelagem de três órbitas do sistema levou 46 dias em 9.600 núcleos de computação. Campanelli disse que foi recentemente concedida um tempo adicional na Blue Waters para continuar desenvolvendo seus modelos.
A simulação original estimou a temperatura do gás. A equipe planeja refinar seu código para modelar como os parâmetros variáveis ​​do sistema, como temperatura, distância, massa total e taxa de acreção, afetarão a luz emitida. Eles estão interessados ​​em ver o que acontece com o gás viajando entre os dois buracos negros, além de modelar períodos de tempo mais longos.
"Precisamos encontrar sinais de luz de binários de buracos negros supermassivos e distintos o suficiente para que os astrônomos possam encontrar esses sistemas raros entre a multidão de buracos negros supermassivos", disse o coautor Julian Krolik, astrofísico da Universidade Johns Hopkins. Baltimore.
"Se pudermos fazer isso, poderemos descobrir fusões de buracos negros supermassivos antes que eles sejam vistos por um observatório de ondas gravitacionais baseado no espaço".

Fonte: NASA