Como dois lutadores de sumô se enfrentando, o par mais próximo confirmado de buracos negros supermassivos foi observado em estreita proximidade. Eles estão localizados a aproximadamente 300 anos-luz de distância e foram detectados usando o Telescópio Espacial Hubble da NASA e o Observatório de Raios X Chandra. Esses buracos negros, enterrados profundamente dentro de um par de galáxias em colisão, são alimentados por gás e poeira em queda, fazendo com que brilhem intensamente como núcleos galáticos ativos (AGN).

Este par de AGN é o mais próximo detectado no universo local usando observações multicomprimento de onda (luz visível e raios X). Embora várias dezenas de buracos negros "duais" tenham sido encontrados antes, suas separações são tipicamente muito maiores do que o que foi descoberto na galáxia rica em gás MCG-03-34-64.

Astrônomos usando radiotelescópios observaram um par de buracos negros binários ainda mais próximos do que em MCG-03-34-64, mas sem confirmação em outros comprimentos de onda.

Binários AGN como este eram provavelmente mais comuns no universo primitivo, quando fusões de galáxias eram mais frequentes. Esta descoberta fornece uma visão única de perto de um exemplo próximo, localizado a cerca de 800 milhões de anos-luz de distância.

A descoberta foi fortuita. As imagens de alta resolução do Hubble revelaram três picos de difração óptica aninhados dentro da galáxia hospedeira, indicando uma grande concentração de gás oxigênio brilhante dentro de uma área muito pequena.

"Não esperávamos ver algo assim", disse Anna Trindade Falcão, do Centro de Astrofísica Harvard & Smithsonian, em Cambridge, Massachusetts, e principal autora do artigo publicado no The Astrophysical Journal .

Picos de difração são artefatos de imagem causados quando a luz de uma região muito pequena no espaço se curva ao redor do espelho dentro dos telescópios.

A equipe de Falcão então examinou a mesma galáxia em raios X usando o observatório Chandra para descobrir o que está acontecendo.

"Quando olhamos para MCG-03-34-64 na banda de raios X, vimos duas fontes separadas e poderosas de emissão de alta energia coincidentes com os pontos ópticos brilhantes de luz vistos com o Hubble. Juntamos essas peças e concluímos que provavelmente estávamos olhando para dois buracos negros supermassivos muito próximos", disse Falcão.

Para dar suporte à interpretação, os pesquisadores usaram dados de rádio de arquivo do Karl G. Jansky Very Large Array, perto de Socorro, Novo México. A dupla energética de buracos negros também emite ondas de rádio poderosas.

"Quando você vê luz brilhante em comprimentos de onda ópticos, raios X e rádio, muitas coisas podem ser descartadas, deixando a conclusão de que elas só podem ser explicadas como buracos negros próximos. Quando você junta todas as peças, isso lhe dá a imagem da dupla AGN", disse Falcão.

A terceira fonte de luz brilhante vista pelo Hubble é de origem desconhecida, e mais dados são necessários para entendê-la. Pode ser gás que é chocado pela energia de um jato de plasma de ultra alta velocidade disparado de um dos buracos negros, como um jato de água de uma mangueira de jardim explodindo em uma pilha de areia.

"Não seríamos capazes de ver todas essas complexidades sem a incrível resolução do Hubble", disse Falcão.

Os dois buracos negros supermassivos já estiveram no centro de suas respectivas galáxias hospedeiras. Uma fusão entre as galáxias trouxe os buracos negros para uma proximidade próxima. Eles continuarão a espiralar mais próximos até que eventualmente se fundam — em talvez 100 milhões de anos — sacudindo o tecido do espaço e do tempo como ondas gravitacionais .

O Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro a Laser (LIGO) da National Science Foundation detectou ondas gravitacionais de dezenas de fusões entre buracos negros de massa estelar. Mas os comprimentos de onda mais longos resultantes de uma fusão de buracos negros supermassivos estão além das capacidades do LIGO.

O detector de ondas gravitacionais de próxima geração, chamado de missão LISA (Laser Interferometer Space Antenna), consistirá em três detectores no espaço, separados por milhões de milhas, para capturar essas ondas gravitacionais de comprimento de onda mais longo do espaço profundo. A ESA (Agência Espacial Europeia) está liderando esta missão, em parceria com a NASA e outras instituições participantes, com um lançamento planejado para meados da década de 2030.