Quasares, os objetos mais brilhantes do cosmos, poderiam atuar como marcos cósmicos, direcionando os astrônomos para pares elusivos de buracos negros supermassivos.
Embora os cientistas saibam que buracos negros supermassivos, com massas de milhões ou até bilhões de vezes a do Sol, se escondem no coração da maioria, se não de todas, as grandes galáxias, detectar pares binários desses titãs cósmicos tem sido difícil. Isso não pode ser porque os binários de buracos negros supermassivos são incrivelmente raros. Afinal, esses gigantes se formam através de fusões que começam quando as galáxias colidem. Isso significa que deve haver uma grande população de binários de buracos negros supermassivos por aí, à beira de colidir e criar um buraco negro supermassivo filhote ainda mais monstruoso. Mas onde eles estão?
Novas pesquisas sugerem que os quasares — os corações luminosos de galáxias ativas, alimentados por buracos negros supermassivos em crescimento — poderiam ser a resposta para essa questão. A equipe por trás da pesquisa acredita que galáxias com quasares podem ser até sete vezes mais propensas a hospedar binários de buracos negros supermassivos do que outras galáxias.
Essas descobertas poderiam ajudar na busca por esses duos monstruosos usando ondas gravitacionais, pequenas ondulações no espaço e no tempo (unidos como uma entidade 4-dimensional chamada espaço-tempo), que foram inicialmente previstas na teoria da relatividade geral de Einstein em 1915.
“Essas descobertas são úteis para buscas direcionadas por binários de buracos negros supermassivos, nas quais procuramos galáxias e quasares específicos por ondas gravitacionais contínuas de binários de buracos negros supermassivos individuais”, disse Andrew Casey-Clyde, autor principal da pesquisa.
“Nossos resultados significam que essas buscas direcionadas serão até sete vezes mais propensas a encontrar ondas gravitacionais de um binário de buracos negros supermassivos em um quasar do que em uma galáxia maciça aleatória”, disse Casey-Clyde.
Ironicamente, a descoberta da equipe começou com algo de um achado decepcionante. Em 2015, o Catalina Real-time Transient Survey (CRTS), conduzido por três telescópios cobrindo uma vasta área do céu, propôs que 111 quasares com curvas de luz periódicas poderiam ser candidatos a binários de buracos negros supermassivos.
No entanto, usando o zumbido recentemente medido do universo chamado de “fundo de ondas gravitacionais”, Casey-Clyde e colegas determinaram que a maioria desses candidatos a quasares binários provavelmente eram detecções falsas.
“Mesmo após corrigir para o grande número de falsos positivos na amostra de candidatos a binários do CRTS, este trabalho mostra que os quasares podem ser mais propensos a hospedar binários de buracos negros supermassivos do que galáxias aleatórias”, disse Casey-Clyde.
Binários de buracos negros supermassivos se escondem atrás dos objetos mais brilhantes do universo
Alguns buracos negros supermassivos são cercados por uma vasta quantidade de material, na forma de um disco de acreção achatado de gás e poeira que gradualmente os alimenta. A influência gravitacional imensa desses buracos negros supermassivos gera forças tidais poderosas nos discos de acreção, que causam atrito, aquecendo este material e fazendo-o brilhar intensamente em todo o espectro eletromagnético.
Além disso, o material não alimentado pelo buraco negro é canalizado para seus polos, onde é expelido como jatos altamente colimados de alta energia. Esses jatos também emitem radiação eletromagnética. Como resultado desses fenômenos, essas regiões centrais das galáxias, chamadas de “núcleos galácticos ativos” (NGAs), vistas como quasares, podem ser tão brilhantes que ofuscam a luz combinada de todas as estrelas da galáxia que os rodeia.
Frequentemente, o buraco negro supermassivo se alimenta e é capaz de gerar um quasar porque está dentro de uma galáxia que fundiu com outra galáxia de tamanho similar. Essa colisão age como um Grubhub cósmico, trazendo para o buraco negro um suprimento fresco de gás e poeira. A fusão galáctica também aproxima dois buracos negros supermassivos.
Quasares binários são sistemas de binários de buracos negros supermassivos com atividade de quasar associada a um disco de acreção que envolve ambos os buracos negros supermassivos no binário.
“Sabemos que os quasares podem ser desencadeados por fusões principais de galáxias, onde duas galáxias de massa similar se fundem. Essas fusões também levam à eventual formação de um binário de buracos negros supermassivos”, disse Casey-Clyde. “Uma vez que os binários de buracos negros supermassivos são formados por fusões principais de galáxias, e os quasares podem ser desencadeados por essas fusões, isso sugere que alguns quasares podem estar associados a binários de buracos negros supermassivos.”
Para esta pesquisa, a equipe especificamente analisou quasares com saídas de luz que se repetem ao longo de um período de tempo definido, emissões conhecidas como curvas de luz periódicas. Simulações sugeriram que as curvas de luz periódicas associadas aos quasares podem ser a assinatura de um binário de buracos negros supermassivos. Integral para seu estudo foi uma coleção de pulsares de rotação altamente precisa chamada NANOGrav pulsar array. Girando centenas de vezes por segundo, pulsares podem ser usados como um cronômetro cósmico altamente sensível quando considerados em massa.
No ano passado, o NANOGrav pulsar array detectou o sinal fraco de ondas gravitacionais de fundo de fusões distantes de buracos negros, e a equipe foi capaz de usar esta detecção para restringir a população de binários de buracos negros supermassivos. Os pulsares do NANOGrav então ajudaram a equipe a colocar restrições sobre a população de quasares.
Porque a equipe usou uma combinação de observações eletromagnéticas de quasares e detecções de ondas gravitacionais de pulsares NANOGrav, a pesquisa é um exemplo de “astronomia multi-mensageira” — investigações do universo que usam pelo menos dois sinais completamente diferentes em uníssono.
“A astronomia multi-mensageira foi crucial para restringir a população de quasares binários neste trabalho. Especificamente, porque os quasares binários são um subconjunto tanto da população de quasares quanto dos binários de buracos negros supermassivos, restrições sobre cada um desses são também restrições sobre a população de quasares binários”, disse Casey-Clyde. “Suspeitamos que os quasares poderiam sinalizar binários de buracos negros supermassivos por um longo tempo por causa das conexões que ambos têm com fusões principais de galáxias. Agora mostramos que essa associação ainda é plausível, mesmo depois de considerar a contaminação na amostra do CRTS.”
Os resultados também surpreenderam Casey-Clyde e a equipe, pois descobriram que os quasares mais brilhantes são menos propensos a hospedar um binário de buracos negros supermassivos do que os quasares mais fracos.
“O fato de que os candidatos a quasares binários mais brilhantes são os menos propensos a ser genuínos foi surpreendente. No entanto, faz sentido ao considerar a raridade de binários de buracos negros supermassivos de alta massa”, disse Casey-Clyde. “Isso ocorre porque os quasares binários mais brilhantes devem estar associados aos binários de buracos negros supermassivos mais massivos. No entanto, os binários de buracos negros supermassivos mais massivos são raros, porque se fundem relativamente rapidamente.”
Isso significa que os binários de buracos negros supermassivos de massa inferior passam mais tempo na faixa desses objetos que as matrizes de cronometragem de pulsares podem detectar e, portanto, são muito mais propensos a serem detectados.
Casey-Clyde acrescentou que as buscas direcionadas por ondas gravitacionais são um dos próximos passos mais importantes para esta pesquisa, acrescentando que a equipe também pretende buscar pares de buracos negros amplamente separados que representem o estágio antes que um binário de buracos negros supermassivos próximo se forme.
“Em particular, detectar ondas gravitacionais de uma galáxia hospedando um quasar nos permitirá testar como o movimento orbital de um binário de buracos negros supermassivos imprime na curva de luz de um quasar”, disse ele. “As buscas por AGN duplos serão importantes para restringir os pareamentos de buracos negros supermassivos, que são precursores de separação ampla para binários de buracos negros supermassivos resultantes de fusões recentes de galáxias.”
Isso permitirá à equipe melhor restringir o número de binários de buracos negros supermassivos que esperam ver no cosmos e, assim, entender melhor a relação entre quasares e fusões de galáxias.
“A Legacy Survey of Space and Time (LSST), que será realizada em breve pelo Observatório Vera C. Rubin, será crucial para melhorar as restrições sobre a população de quasares binários”, concluiu Casey-Clyde. “No entanto, precisaremos esperar cerca de uma década de observações para fazer isso, já que se acredita que as curvas de luz de quasares binários tenham períodos na escala de anos.”
