Tecnologia Científica

Colisão do buraco negro pode ter explodido com a luz
Possível reflexo de luz observado em pequenos buracos negros dentro do disco de um enorme buraco negro
Por Whitney Clavin - 26/06/2020


Conceito artístico de um buraco negro supermassivo e seu disco circundante de gás. Embutidos neste disco estão dois buracos negros menores orbitando um ao outro. Usando dados do Zwicky Transient Facility (ZTF) no Observatório Palomar, os pesquisadores identificaram uma labareda de luz suspeita de ter vindo de um desses pares binários logo após se fundirem em um buraco negro maior. A fusão dos buracos negros teria feito com que eles se movessem em uma direção dentro do disco, atravessando o gás de maneira a criar um clarão. A descoberta, embora não confirmada, pode ser a primeira vez que a luz é vista de um par de buracos negros que se fundem. Esses buracos negros em fusão foram descobertos pela primeira vez em 21 de maio de 2019 pela National Science Foundation ' Crédito: Caltech / R. Ferido (IPAC)

Quando dois buracos negros espiralam um ao outro e finalmente colidem, eles emitem ondulações no espaço e no tempo chamadas ondas gravitacionais. Como os buracos negros não emitem luz, não se espera que esses eventos brilhem com ondas de luz ou radiação eletromagnética. Mas alguns teóricos criaram maneiras pelas quais uma fusão de um buraco negro pode explodir com a luz. Agora, pela primeira vez, os astrônomos viram evidências de um desses cenários de produção de luz.

Com a ajuda do Zwicky Transient Facility (ZTF) da Caltech, financiado pela National Science Foundation (NSF) e localizado no Observatório Palomar, perto de San Diego, os cientistas descobriram o que poderia ser uma labareda de luz de um par de buracos negros que se aproximavam. A fusão do buraco negro foi testemunhada pela primeira vez pelo Observatório de Ondas Gravitacionais a Interferômetro a Laser (LIGO) da NSF e pelo detector Europeu de Virgem em 21 de maio de 2019, em um evento chamado S190521g. À medida que os buracos negros se fundiam, agitando espaço e tempo, eles emitiam ondas gravitacionais.

Enquanto isso acontecia, a ZTF estava realizando seu levantamento robótico do céu, que capturava todos os tipos de objetos que queimam, entram em erupção ou variam de outro modo no céu noturno. Uma explosão da pesquisa capturada, gerada por um buraco negro supermassivo ativo distante, ou quasar, chamado J1249 + 3449, foi identificada na região do evento de onda gravitacional S190521g.

"Esse buraco negro supermassivo estava explodindo há anos antes desse surto mais abrupto", diz Matthew Graham , professor de astronomia da Caltech e cientista do projeto da ZTF. "O surto ocorreu na escala de tempo certa e no local certo, para coincidir com o evento das ondas gravitacionais. Em nosso estudo, concluímos que o surto é provavelmente o resultado de uma fusão de buracos negros, mas não podemos descartar completamente outras possibilidades ". Graham é o principal autor do novo estudo, publicado hoje, 25 de junho, na revista Physical Review Letters .

"O ZTF foi projetado especificamente para identificar tipos novos, raros e variáveis ​​de atividade astronômica como esta", diz Ralph Gaume, diretor da Divisão de Ciências Astronômicas da NSF. "O suporte da NSF a novas tecnologias continua a expandir como podemos rastrear esses eventos".

Como dois buracos negros em fusão entram em erupção com a luz? No cenário delineado por Graham e seus colegas, dois buracos negros parceiros estavam aninhados dentro de um disco ao redor de um buraco negro muito maior.

"No centro da maioria das galáxias, esconde-se um buraco negro supermassivo. Está cercado por um enxame de estrelas e estrelas mortas, incluindo buracos negros", diz o co-autor KE Saavik Ford, do Centro de Pós-Graduação da Universidade da Cidade de Nova York (CUNY), o Borough of Manhattan Community College (BMCC) e Museu Americano de História Natural (AMNH). "Esses objetos pululam como abelhas zangadas ao redor da monstruosa abelha rainha no centro. Eles podem encontrar brevemente parceiros gravitacionais e formar pares, mas geralmente perdem seus parceiros rapidamente na dança louca. Mas no disco de um buraco negro supermassivo, o gás que flui converte o mosh. poço do enxame para um minueto clássico, organizando os buracos negros para que eles possam formar pares ", diz ela.

Depois que os buracos negros se fundem, o novo buraco negro, agora maior, experimenta um chute que o envia em uma direção aleatória e explode através do gás no disco. "É a reação do gás a essa bala veloz que cria um clarão brilhante, visível com telescópios", diz o co-autor Barry McKernan, também do CUNY Graduate Center, BMCC e AMNH.

Prevê-se que esse surto comece dias ou semanas após o respingo inicial das ondas gravitacionais produzidas durante a fusão. Nesse caso, o ZTF não capturou o evento imediatamente, mas quando os cientistas voltaram e examinaram as imagens de arquivo ZTF meses depois, encontraram um sinal que começou dias após o evento de ondas gravitacionais de maio de 2019. A ZTF observou que o surto desapareceu lentamente durante o período de um mês.

Os cientistas tentaram obter uma visão mais detalhada da luz do buraco negro supermassivo, chamado espectro, mas quando eles olharam, o clarão já havia desaparecido. Um espectro teria oferecido mais apoio à ideia de que o surto veio da fusão de buracos negros dentro do disco do buraco negro supermassivo. No entanto, os pesquisadores dizem que foram capazes de descartar outras possíveis causas para o surto observado, incluindo uma supernova ou um evento de perturbação das marés, que ocorre quando um buraco negro come essencialmente uma estrela.

Além disso, a equipe afirma que não é provável que a explosão tenha ocorrido devido aos estrondos habituais do buraco negro supermassivo, que regularmente se alimenta do disco circundante. Usando a Catalina Real-Time Transient Survey, liderada pela Caltech, eles foram capazes de avaliar o comportamento do buraco negro nos últimos 15 anos e descobriram que sua atividade era relativamente normal até maio de 2019, quando se intensificou repentinamente.

"Buracos negros supermassivos como este têm reflexos o tempo todo. Eles não são objetos silenciosos, mas o momento, o tamanho e a localização desse reflexo foram espetaculares", diz o co-autor Mansi Kasliwal (MS '07, PhD '11), professor assistente de astronomia da Caltech. "A razão de procurar explosões como essa é tão importante é que ajuda enormemente com questões de astrofísica e cosmologia. Se pudermos fazer isso novamente e detectar a luz das fusões de outros buracos negros, poderemos definir as casas desses buracos negros. e saiba mais sobre suas origens ".

O buraco negro recém-formado deve causar outro surto nos próximos anos. O processo de fusão deu ao objeto um chute que deve fazer com que ele entre novamente no disco supermassivo do buraco negro, produzindo outro flash de luz que o ZTF deve ser capaz de ver.

O documento Physical Review Letters , intitulado " Uma contraparte eletromagnética candidata ao evento de ondas gravitacionais de fusão binária do buraco negro GW190521g ", foi financiado pela NSF, NASA, Fundação Heising-Simons e GROWTH(Relé Global de Observatórios que Observam Transientes Acontecer). Outros co-autores incluem: K. Burdge, SG Djorgovski, AJ Drake, D. Duev, AA Mahabal, J. Belecki, R. Burruss, G. Helou, SR Kulkarni, FJ Masci, T. Prince, D. Reiley, H Rodriguez, B. Rusholme, RM Smith, todos da Caltech; NP Ross, da Universidade de Edimburgo; Daniel Stern, do Jet Propulsion Laboratory, gerenciado por Caltech para a NASA; M. Coughlin, da Universidade de Minnesota; S. van Velzen da Universidade de Maryland, College Park e New York University; CE Bellm da Universidade de Washington; SB Cenko, do Centro de Vôo Espacial Goddard da NASA; V. Cunningham da Universidade de Maryland, College Park; e MT Soumagnac, do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley e do Instituto de Ciência Weizmann.

Além da NSF, a ZTF é financiada por uma  colaboração internacional de parceiros , com apoio adicional da NASA, da Fundação Heising-Simons, membros do Conselho de Inovação Espacial da Caltech e da própria Caltech. 

 

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