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A luz das estrelas distorcida na estrutura do espaço-tempo pode nos ajudar a encontrar buracos negros escondidos dançando juntos
Dois buracos negros supermassivos numa espiral mortal vertiginosa poderão em breve tornar-se visíveis para os astrónomos, depois de os investigadores descobrirem como, enquanto giram em torno um do outro, estes gigantes escuros e massivos podem criar lentes gravitacionais nas estrelas atrás deles.
Praticamente todos os grandes galáxia hospeda um buraco negro supermassivovariando em massa de milhões de vezes a do nosso sol (por exemplo o buraco negro em nosso Galáxia Via Láctea, Sagitário A*) para bilhões de massas solares. Normalmente, as galáxias têm apenas um buraco negro supermassivo no seu coração, mas quando duas galáxias se fundem, os seus buracos negros podem cair um em direcção ao outro, eventualmente entrando na órbita um do outro e, muito depois de isso acontecer, fundirem-se numa explosão de energia. ondas gravitacionais.
Até agora, os únicos buracos negros supermassivos binários que os astrónomos identificaram estão amplamente separados por centenas ou milhares de anos-luz. Para o futuro, a Agência Espacial Europeia planejou um detector de ondas gravitacionais baseado no espaço chamado LISA, a Antena Espacial de Interferômetro Laser, para detectar as ondas gravitacionais de baixa frequência emitidas pela fusão de binários de buracos negros supermassivos. Cientistas chineses também propuseram uma missão semelhante chamada TianQin. Mas não houve outra maneira conhecida de detectar tais binários – até agora, talvez.
“A perspectiva de identificar binários de buracos negros supermassivos em espiral anos antes de futuros detectores de ondas gravitacionais baseados no espaço entrarem em operação é extremamente emocionante”, disse Bence Kocsis, da Universidade de Oxford, em um declaração. “Isso abre a porta para verdadeiros estudos multi-mensageiros de buracos negros, permitindo-nos testar gravidade e a física dos buracos negros de maneiras inteiramente novas.”
Kocsis faz parte de uma equipa de astrónomos de Oxford e do Instituto Max Planck de Física Gravitacional, na Alemanha, que mostraram como as lentes gravitacionais de buracos negros binários podem revelar a sua presença em galáxias distantes.
Lentes gravitacionais são um fenômeno causado por objetos massivos que dobram o tecido espaço-tempo ao seu redor devido ao impacto de sua atração gravitacional, alterando o caminho da luz que se move ao longo desse tecido deformado, de modo que os objetos de fundo podem parecer ampliados ou, às vezes, até mesmo divididos em múltiplas imagens.
Quando existe apenas um buraco negro, uma estrela de fundo tem que estar perfeitamente alinhada com ele para ser lente. No entanto, para um buraco negro binário, a situação muda.
“As chances de a luz das estrelas ser enormemente amplificada aumentam enormemente para um binário em comparação com um único buraco negro”, disse Kocsis.
Um buraco negro binário atua como um par de lentes rotativas, pois os buracos negros orbitam seu centro de massa comum. Isso produz uma zona em forma de diamante de eventos de lente quase periódicos, chamada de ‘curva cáustica’, e ao longo dessa curva, a intensidade da lente é amplificada.
O resultado é que as estrelas de fundo alinhadas com a curva cáustica parecerão piscar periodicamente, à medida que a sua luz é amplificada em escalas de tempo de vários anos correspondentes ao período orbital dos buracos negros. Provavelmente nem veremos a estrela em outros momentos, tão distantes estão as galáxias que hospedam buracos negros supermassivos binários.
“À medida que o binário se move, a curva cáustica gira e muda de forma, varrendo um grande volume de estrelas atrás dela”, disse Hanxi Wang, Ph.D. estudante em Oxford, no comunicado. “Se uma estrela brilhante estiver nesta região, ela pode produzir um flash extraordinariamente brilhante cada vez que o cáustico passa sobre ela. Isto leva a explosões repetidas de luz estelar, que fornecem uma assinatura clara e distinta de um buraco negro supermassivo binário.”
No entanto, esta situação não permanece inalterada para sempre, porque as órbitas dos buracos negros estão a encolher.
Os buracos negros perdem energia orbital entre si, e essa energia é transportada como ondas gravitacionais. À medida que se aproximam, os buracos negros começam a orbitar cada vez mais rápido. São necessários milhões de anos para que dois buracos negros percam energia orbital suficiente para se fundirem, mas este encurtamento das suas órbitas pode tornar-se aparente em alterações na curva cáustica. Essas mudanças modificariam a modulação da frequência dos eventos de lente e seu pico de brilho. A massa dos dois buracos negros também poderia ser codificada na curva cáustica.
A modulação da frequência e do brilho máximo dos eventos de lente levaria milhares ou milhões de anos para se tornar perceptível. Na melhor das hipóteses, os astrônomos só podem tirar um instantâneo de qualquer sistema binário de buraco negro supermassivo. No entanto, observe um número suficiente de sistemas semelhantes em diferentes estágios de sua evolução orbital e os instantâneos poderão ser reunidos para contar uma história mais ampla.
Felizmente, os próximos levantamentos detalhados do céu noturno realizados pelo Observatório Vera C. Rubin no Chile e no Telescópio Espacial Romano Nancy Grace que está previsto para ser lançado em 2027 deve ser poderoso o suficiente para detectar muitos eventos de lente de buracos negros supermassivos binários em galáxias distantes. Então, quando estiver operacional, esperançosamente em algum momento na década de 2030, o LISA poderá fazer parceria com os telescópios de pesquisa para realizar um censo detalhado multi-mensageiro (ondas eletromagnéticas e ondas gravitacionais) de buracos negros no universo que estão em espiral para uma fusão inevitável.
A pesquisa foi publicada em 12 de fevereiro na revista Cartas de revisão física.
