Mrk 501: o blazar que pode revelar uma colisão de buracos negros supermassivos em menos de 100 anos

Uma galáxia intensamente luminosa, situada a cerca de meio milhar de milhões de anos-luz, pode vir a dar-nos um lugar na primeira fila - praticamente em tempo real e em escalas humanas - para assistir a uma colisão de buracos negros supermassivos, possivelmente dentro de apenas um século.

Dois jatos no núcleo do blazar Mrk 501

Uma nova leitura da luz invulgar emitida pelo blazar Mrk 501 aponta para um cenário intrigante: em vez de um único buraco negro supermassivo a alimentar um jato relativista, poderão existir dois buracos negros supermassivos, cada um a impulsionar o seu próprio jato de matéria a altíssima velocidade. Não se trata, ainda, de uma confirmação definitiva; ainda assim, num estudo liderado pela astrónoma Silke Britzen, do Instituto Max Planck de Astronomia Radio, na Alemanha, esta hipótese é apresentada como a explicação mais convincente, até ao momento, para o comportamento anómalo da galáxia.

Se a interpretação se confirmar, poderá significar que um dos grandes “santos graais” da cosmologia está, por assim dizer, mesmo à nossa porta: observar pela primeira vez a fusão de buracos negros supermassivos - com massas entre milhões e milhares de milhões de vezes a do Sol.

"Até agora, nenhum sistema de jato duplo num núcleo de blazar foi detetado através de imagiologia direta", escrevem Britzen e os colegas. "Assim, o presente trabalho reporta a primeira deteção de um sistema de jato duplo, levando à inferência de um binário de buracos negros supermassivos no núcleo deste blazar."

Porque é que os buracos negros supermassivos continuam a ser um enigma

A ideia dominante é que, no centro de todas as grandes galáxias, se esconde um buraco negro supermassivo - o núcleo cósmico em torno do qual o resto da galáxia orbita. Estes gigantes podem atingir massas colossais e levantam várias questões difíceis.

Uma das mais urgentes é simples de enunciar e difícil de responder: como é que conseguem crescer tanto. Buracos negros de massa estelar - com dezenas de massas solares - formam-se quando o núcleo de estrelas massivas colapsa no fim da sua vida. Sabemos também que podem fundir-se entre si, construindo objetos maiores; o mais massivo conhecido ronda as 225 massas solares.

Já os caminhos de formação e evolução que levam a buracos negros com milhões de vezes essa massa continuam envoltos em incerteza. Em parte, isto acontece porque ainda não dispomos de ferramentas capazes de detetar ondas gravitacionais provenientes de uma única fusão de buracos negros supermassivos - precisamente um dos melhores meios para perceber como estes objetos crescem através de fusões.

Mesmo assim, os buracos negros supermassivos não são tão discretos como os seus “primos” mais pequenos. Muitos destes colossos engolem quantidades enormes de material, que gira à sua volta num disco. À medida que esse material aquece, o disco torna-se extremamente brilhante.

E nem tudo o que cai é engolido sem mais. Uma fração pode ser desviada ao longo de linhas de campo magnético fora do horizonte de eventos, acelerando em direção aos polos do buraco negro e sendo lançada para o espaço com força descomunal sob a forma de um jato de plasma, visível no rádio. Tanto o disco incandescente como os jatos de alta velocidade são detetáveis com telescópios - a assinatura típica de um buraco negro supermassivo particularmente voraz.

Colisões de galáxias e pares de buracos negros no centro

Sabemos que as galáxias crescem também por colisões: existem inúmeros exemplos, por todo o Universo, de choques galácticos ainda em curso. Quando isso acontece, os buracos negros supermassivos nos seus centros são puxados um para o outro. Há, aliás, vários casos de galáxias já resultantes de fusões que exibem dois (ou mais) buracos negros supermassivos no núcleo, presos numa órbita em espiral que, em princípio, deverá acabar por os juntar.

O Mrk 501, a cerca de 464 milhões de anos-luz, é uma galáxia que há algum tempo desperta suspeitas de albergar um binário de buracos negros supermassivos. O problema é que o Mrk 501 é um blazar: possui um buraco negro supermassivo ativo com um jato relativista apontado quase diretamente para a Terra. Isso torna-o extremamente brilhante em todo o espetro eletromagnético - e, por consequência, dificulta análises detalhadas ao seu núcleo.

23 anos de rádio para seguir o “motor” central

Para contornar essas dificuldades, Britzen e a sua equipa recorreram a radiotelescópios de resolução ultraelevada, acompanhando a evolução do centro do Mrk 501 em vários comprimentos de onda no rádio. O conjunto de observações estendeu-se por cerca de 23 anos, tempo suficiente para seguir, ao longo dos anos, estruturas brilhantes que se movem no jato.

A partir dessa evolução, os investigadores reconstruíram como o material se desloca nas imediações do “motor” central da galáxia - e foi aí que surgiu algo inesperado. O padrão inferido parecia apontar para um segundo jato, mais ténue, que descreve um movimento de laço no sentido contrário ao dos ponteiros do relógio em torno do núcleo observado no rádio.

"Avaliar os dados foi como estar num navio", diz Britzen. "Todo o sistema de jatos está em movimento. Um sistema de dois buracos negros pode explicar isto: o plano orbital oscila."

De seguida, a equipa modelou a dinâmica observada e concluiu que o comportamento fica mais facilmente explicado se existir um segundo buraco negro supermassivo. Os autores identificaram dois períodos distintos na variação da luz.

Um desses períodos foi de sete anos, compatível - segundo os investigadores - com uma oscilação do sistema de jatos, como um pião a cambalear.

O outro período foi de cerca de 121 dias; este, afirmam, pode ser consistente com o período orbital dos dois buracos negros, separados por uma distância entre 250 e 540 vezes a distância entre a Terra e o Sol. Para objetos tão massivos como buracos negros supermassivos, trata-se de uma separação extremamente pequena.

A separação, o “problema do parsec final” e o que isso implica

Essa distância corresponde também a uma fração diminuta de um parsec (que é cerca de 3.2 anos-luz). E aqui entra em cena um conceito conhecido como o problema do parsec final.

De acordo com modelos, à medida que dois buracos negros supermassivos orbitam um ao outro, vão transferindo energia orbital para as estrelas e o gás à sua volta. Com isso, a órbita encolhe progressivamente. Só que, quanto mais a separação diminui, menor é também a quantidade de matéria circundante disponível para lhes “roubar” momento.

Quando ficam a cerca de um parsec de distância, o ambiente galáctico pode já não ser capaz de sustentar um decréscimo adicional da órbita. Nessa fase, a evolução pode estagnar durante um período potencialmente enorme - até mais longo do que a idade atual do Universo.

Se o Mrk 501 for, de facto, o anfitrião de um binário de buracos negros supermassivos, a separação orbital do par será, no máximo, de apenas 0.0026 parsecs - o que sugere que estes binários conseguem, por algum mecanismo, ultrapassar um “fosso” que a física indica ser muito difícil de vencer.

Buracos negros supermassivos, enfim. Coisas doidas.

Um alvo para ondas gravitacionais nas próximas décadas

E, precisamente porque este binário ainda não confirmado estaria tão compacto, o tempo até à colisão poderá ser surpreendentemente curto - menos de 100 anos, segundo os autores. Por isso, dizem, vale a pena manter o MRK 501 sob vigilância, sobretudo com redes de cronometragem de pulsares, que podem detetar as ondas gravitacionais de baixa frequência emitidas por estes sistemas.

"Se as ondas gravitacionais forem detetadas", afirma o astrónomo Héctor Olivares, da Universidade Radboud, nos Países Baixos, "podemos até ver a sua frequência aumentar de forma contínua à medida que os dois gigantes entram em espiral rumo à colisão, oferecendo uma rara oportunidade de observar o desenrolar de uma fusão de buracos negros supermassivos."

O artigo foi aceite para publicação nas Notícias Mensais da Sociedade Astronómica Real.