O buraco negro supermassivo em NGC 4486B surge fora do centro após uma fusão

Investigadores concluíram que o buraco negro supermassivo na galáxia NGC 4486B, uma elíptica compacta no Enxame de Virgem, está deslocado de forma mensurável em relação ao centro.

Esta observação encaixa no que os astrónomos esperam encontrar na sequência de uma fusão entre dois buracos negros supermassivos.

Com isso, uma galáxia que parecia tranquila passa a ser encarada como evidência directa do período imediatamente posterior a uma colisão de buracos negros.

Um centro desalinhado

Mapas do núcleo de NGC 4486B obtidos pelo Telescópio Espacial James Webb revelaram dois picos luminosos e um buraco negro gigante situado a cerca de 20 anos-luz do meio da galáxia.

Ao comparar essa dinâmica com imagens mais antigas do Hubble, Behzad Tahmasebzadeh, da Universidade do Michigan (U-M), associou a discrepância a uma fusão recente.

A equipa verificou que o pico mais pequeno e mais ténue coincide com a zona onde as estrelas exibem o movimento mais rápido - um indicador da atracção gravitacional do buraco negro.

Quando a distribuição de luz e o campo gravitacional apontam para centros diferentes, os sinais deixam de corresponder ao cenário de uma galáxia estabilizada.

Buraco negro supermassivo em NGC 4486B

Trabalhos anteriores com o Webb já tinham mostrado que o buraco negro supermassivo (SMBH) de NGC 4486B tem uma massa de 360 milhões de Sóis, um valor enorme para uma galáxia com nove mil milhões.

Uma massa desta ordem intensifica a gravidade nas imediações, acelera as estrelas próximas e, neste caso, a aceleração mais marcada surge deslocada para um dos lados.

Além disso, as estrelas nessa região moviam-se cerca de 16 km/s (10 milhas por segundo) mais depressa do que as estrelas no lado oposto, reforçando o desequilíbrio.

Em conjunto, estes movimentos assimétricos ajustam-se muito melhor a uma perturbação recente do que a uma galáxia bem assentada no Enxame de Virgem.

Porque aparecem dois picos

Uma hipótese para explicar a dupla estrutura luminosa é a existência de um disco nuclear excêntrico: um anel estelar assimétrico, com órbitas alongadas em torno do buraco negro.

Nesse tipo de disco, as estrelas acumulam-se onde abrandam e ficam mais dispersas onde passam mais depressa, fazendo com que um pico pareça mais brilhante do que o outro.

Isto ajudaria a perceber porque é que o ponto mais luminoso não coincide com o buraco negro, enquanto o ponto mais fraco fica mais perto do local onde a gravidade domina.

As imagens do Hubble já tinham revelado estes picos gémeos nos anos 1990 e, nessas observações, foram excluídas explicações como poeira ou a passagem de um enxame estelar.

A ideia do impulso por ondas gravitacionais

A explicação que melhor se destacou foi a do recuo por ondas gravitacionais - um impulso gerado quando as ondulações do espaço-tempo são emitidas de forma desigual.

Se uma direcção transportar mais momento, o buraco negro resultante recua e pode arrastar consigo parte do seu disco de estrelas.

Com base na dimensão do disco, a equipa estimou uma velocidade lateral próxima de 338 km/s (210 milhas por segundo) após a fusão.

A esse ritmo, o empurrão teria sido significativo mas não extremo: suficiente para deslocar temporariamente o objecto sem o expulsar do sistema.

Um disco parcialmente para trás

Os modelos também exigiram muitas estrelas retrógradas, a moverem-se no sentido oposto ao fluxo principal, perto da periferia do núcleo perturbado.

Um impulso forte pode colocar estrelas exteriores em órbitas “ao contrário”, porque, no referencial do buraco negro, este chega a ultrapassá-las por instantes.

Quando os investigadores retiraram essas órbitas retrógradas dos cálculos, o ajuste ao padrão de velocidades observado pelo Webb piorou cerca de 23%.

Em vez de um artefacto de modelação, o padrão estelar invulgar passou a parecer mais compatível com a consequência de uma colisão real.

Cronometrar o impacto

Simulações computacionais testaram depois quanto tempo um buraco negro com recuo permaneceria deslocado antes de a gravidade da galáxia o puxar de volta.

Para vários valores de impulso, o regresso ocorria em aproximadamente 10 a 80 milhões de anos, muitas vezes bastante mais depressa.

No cenário preferido, a reposição demorava cerca de 30 milhões de anos - um intervalo suficientemente curto para que o desvio observado hoje tenha de ser recente.

Assim, a cronologia tornou-se a pista mais incisiva: o fenómeno que afastou este buraco negro terá acontecido há pouco tempo em termos cósmicos.

Outras hipóteses avaliadas

A equipa testou a flutuabilidade dinâmica, uma espécie de empurrão para fora causado pelas estrelas da galáxia, para perceber se podia imitar o desvio.

Nas simulações, esse efeito deslocava ligeiramente o buraco negro, mas nem o suficiente nem durante tempo bastante.

Também foi considerada a possibilidade de existir um par de buracos negros ainda não fundido a explicar o centro deslocado; porém, essa alternativa continuou a não reproduzir a presença dos dois picos.

Nenhuma das outras opções conciliou de forma tão limpa o mapa de movimentos e o padrão de luz como o recuo associado a uma fusão.

Momento da fusão galáctica

Persistia, contudo, um problema mais difícil: NGC 4486B parece antiga e estável, sem marcas claras de uma fusão recente de galáxias.

Nas simulações, um par de SMBH a deslocar-se de acordo com a rotação da galáxia pode ficar preso numa ressonância orbital de longa duração.

Essa pausa poderia ter adiado a coalescência final durante centenas de milhões de anos depois de as próprias galáxias se terem unido.

"A NGC 4486B parece ser o primeiro sistema a exibir múltiplas assinaturas observáveis de uma fusão recente de SMBH", escreveu Tahmasebzadeh.

Lições da galáxia NGC 4486B

Surge ainda outra pista no centro pouco íngreme da galáxia, onde as estrelas aparecem menos concentradas do que seria de esperar numa evolução sem perturbações.

Antes de dois SMBH se fundirem, um par ligado pode lançar estrelas próximas para fora e escavar um núcleo amplo e achatado.

A NGC 4486B mostra precisamente esse tipo de região central esvaziada, o que sustenta a ideia de que, em tempos, dois buracos negros enormes partilharam este núcleo.

Ao lado do desvio mais jovem, esse “dano” mais antigo sugere que a galáxia guarda marcas de duas fases do mesmo processo de fusão.

Deste modo, a NGC 4486B parece conservar sinais tanto de uma colisão galáctica antiga como de evidência mais recente da fusão final de buracos negros.

Modelos mais precisos e a descoberta de outros casos invulgares como este poderão revelar com que frequência os buracos negros gigantes se fundem e durante quanto tempo esses sinais permanecem visíveis.