Astrônomos Revelam o Crescimento de Buracos Negros em Galáxias em Colisão

Essas imagens revelam o estágio final de uma fusão entre um par de núcleos galácticos nos núcleos empoeirados de galáxias em colisão. A imagem à esquerda, tirada pela Wide Field Camera 3 do Hubble, mostra a galáxia em fusão NGC 6240. Um close-up dos dois núcleos brilhantes desta união galáctica é mostrado à direita.

Espreitando através de grossas paredes de gás e poeira que cercam os núcleos confusos de galáxias em fusão, os astrônomos estão obtendo sua melhor visão ainda de pares próximos de buracos negros supermassivos enquanto eles marcham em direção à coalescência em mega buracos negros.
Uma equipe de pesquisadores liderada por Michael Koss, da Eureka Scientific Inc., em Kirkland, Washington, realizou a maior pesquisa dos núcleos de galáxias próximas em luz infravermelha, usando imagens de alta resolução tiradas pelo Telescópio Espacial Hubble e o Observatório WM Keck no Havaí. As observações do Hubble representam mais de 20 anos de instantâneos de seu vasto arquivo.
"Ver os pares de núcleos de galáxias fundidos associados a esses imensos buracos negros tão próximos foi bastante surpreendente", disse Koss. "Em nosso estudo, vemos dois núcleos da galáxia bem quando as imagens foram tiradas. Você não pode argumentar com isso; é um resultado muito "limpo", que não depende de interpretação".
As imagens também fornecem uma visualização em close de um fenômeno que deve ter sido mais comum no início do Universo, quando as fusões de galáxias eram mais frequentes. Quando as galáxias colidem, seus buracos negros monstros podem liberar energia poderosa na forma de ondas gravitacionais, o tipo de ondulação no espaço-tempo que só recentemente foi detectada por experimentos inovadores.
O novo estudo também oferece uma prévia do que provavelmente acontecerá em nosso próprio quintal cósmico, daqui há vários bilhões de anos, quando nossa Via Láctea se combinar com a vizinha galáxia de Andrômeda e seus respectivos buracos negros centrais se misturarem.
"Simulações de computador de galáxias mostram que os buracos negros crescem mais rapidamente durante os estágios finais das fusões, perto do momento em que os buracos negros interagem, e é isso que encontramos em nossa pesquisa", disse Laura Blecha, da Universidade de Flórida, em Gainesville.
"O fato de os buracos negros crescerem cada vez mais rápido à medida que as fusões avançam nos mostra que os encontros com galáxias são realmente importantes para nossa compreensão de como esses objetos se tornaram monstruosamente grandes".

Imagens de quatro outras galáxias em colisão, junto com vistas em close de seus núcleos aglutinantes nos núcleos brilhantes, são mostradas sob os instantâneos do Hubble de NGC 6240. A imagem da esquerda de cada par, mostrando as galáxias em fusão, foi tomada pelo Telescópio de Pesquisa Panorâmica e Sistema Rápido de Resposta (Pan-STARRS, na sigla em inglês). A imagem da direita, mostrando os núcleos brilhantes, foi tirada em luz infravermelha próxima pelo Observatório W. Keck, no Havaí, usando óptica adaptativa para aguçar a visão. Os núcleos de cada uma das fotos infravermelhas do Observatório Hubble e Keck têm apenas cerca de 3.000 anos-luz de distância - quase um abraço em termos cósmicos. Se houver pares de buracos negros, eles provavelmente se fundirão nos próximos 10 milhões de anos para formar um buraco negro mais massivo.

Uma fusão de galáxias é um processo lento que dura mais de um bilhão de anos, quando duas galáxias, sob a força inexorável da gravidade, se movem uma na direção da outra antes de finalmente se unirem. As simulações revelam que as galáxias levantam muito gás e poeira enquanto se fundem.
O material ejetado geralmente forma uma cortina espessa ao redor dos centros das galáxias coalescentes, protegendo-os da visão na luz visível. Parte do material também cai nos buracos negros nos núcleos das galáxias em fusão.
Os buracos negros crescem rapidamente enquanto se alimentam com matéria cósmica, e, sendo comedores contumazes, eles fazem o gás inflar e brilhar intensamente. Este rápido crescimento ocorre durante os últimos 10 a 20 milhões de anos da fusão. As imagens do Hubble e do Keck Observatory capturaram visões de perto deste estágio final, quando os buracos negros crescidos estão separados por apenas 3.000 anos-luz - quase um abraço em termos cósmicos.
Não é fácil encontrar núcleos de galáxias tão próximos. A maioria das observações prévias de galáxias em colisão capturaram os buracos negros que coalescem em estágios iniciais quando eles estavam cerca de 10 vezes mais distantes. O estágio final do processo de fusão é tão evasivo porque as galáxias que interagem estão envoltas em poeira e gás densos e requerem observações de alta resolução em luz infravermelha que podem ver através das nuvens e identificar as localizações dos dois núcleos que se fundem.
A equipe primeiro procurou por buracos negros visualmente obscurecidos, peneirando 10 anos de dados de raios X do Telescópio de Alerta de Explosão (BAT, na sigla em inglês) a bordo do Telescópio Neil Gehrels Swift da NASA, um observatório espacial de alta energia.
"O gás que cai nos buracos negros emite raios-X, e o brilho dos raios-X diz-lhe quão rapidamente o buraco negro está crescendo", explicou Koss "Eu não sabia se encontraríamos fusões ocultas, mas suspeitávamos, com base em simulações de computador, que elas estariam em galáxias densamente encobertas. Por isso, tentamos espiar através da poeira com as imagens mais nítidas possíveis, na esperança de encontrar coalescências de buracos negros".
Os pesquisadores vasculharam o arquivo do Hubble, identificando as galáxias fundidas que viram nos dados de raios-X. Eles então usaram a visão super-nítida no infravermelho próximo do observatório Keck para observar uma amostra maior de buracos negros produtores de raios X não encontrados no arquivo do Hubble.
"As pessoas já haviam realizado estudos para procurar esses buracos negros interativos antes, mas o que realmente possibilitou esse estudo em particular foram os raios X que podem romper o casulo de poeira", disse Koss. "Nós também olhamos um pouco mais longe no Universo para que pudéssemos pesquisar um volume maior de espaço, dando-nos uma chance maior de encontrar buracos negros mais luminosos e de rápido crescimento'',
A equipe visou galáxias com uma distância média de 330 milhões de anos-luz da Terra. Muitas das galáxias são semelhantes em tamanho às galáxias da Via Láctea e Andrômeda. A equipe analisou 96 galáxias pelo Observatório Keck e 385 galáxias do arquivo do Hubble encontrado em 38 diferentes programas de observação. As galáxias da amostra são representativas do que os astrônomos encontrariam ao realizar uma pesquisa em todo o céu.
Para verificar seus resultados, a equipe de Koss comparou as galáxias da pesquisa com outras 176 galáxias do arquivo do Hubble que não possuem buracos negros que crescem ativamente. A comparação confirmou que os núcleos luminosos encontrados no censo dos pesquisadores de galáxias que interagem empoeiradas são de fato uma assinatura de pares de buracos negros em rápido crescimento que se dirigem para uma colisão.
Quando os dois buracos negros supermassivos em cada um desses sistemas finalmente se juntam em milhões de anos, seus encontros produzirão fortes ondas gravitacionais. Ondas gravitacionais produzidas pela colisão de dois buracos negros de massa estelar já foram detectadas pelo Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro a Laser (LIGO).
Observatórios como a planejada Antena Espacial de Interferômetro a Laser da NASA/ESA (LISA) será capaz de detectar as ondas gravitacionais de baixa frequência de fusões de buracos negros supermassivos, que são um milhão de vezes mais poderosas que as detectadas pelo LIGO.
Futuros telescópios infravermelhos, como o planejado Telescópio Espacial James Webb da NASA e uma nova geração de telescópios gigantes baseados em terra, fornecerão um maior aprofundamento de colisões de galáxias empoeiradas, medindo as massas, a taxa de crescimento e a dinâmica de pares de buracos negros próximos. O telescópio James Webb também poderá ser capaz de procurar em luz infravermelha média para descobrir mais interações de galáxias, tão encapsuladas em gás espesso e poeira que até mesmo a luz infravermelha próxima não pode penetrá-las.

Fonte: Space Daily via NASA