Galáxias com quasares poderiam ter sete vezes mais probabilidade de hospedar buracos negros supermassivos do que outras galáxias. Após refutar falsas identificações de pesquisa anterior, equipe analisou curvas de luz periódicas de quasares pareadas com conjunto de pulsares.
Os quasares, os objetos mais brilhantes do cosmos, poderiam atuar como sinais cósmicos, direcionando astrônomos para pares de buracos negros supermassivos. Esses pares são particularmente difíceis encontrar, criando uma lacuna no nosso entendimento desses objetos.
Embora cientistas estejam cientes de que buracos negros supermassivos com milhões ou mesmo bilhões de massas solares se escondem no coração da maioria, se não de todas, as grandes galáxias, os binários destes titãs cósmicos têm sido difíceis de detectar. Isso não pode ser porque são incrivelmente raros, uma vez que se formam por meio de fusões que começam quando as galáxias colidem. Isso significa que deve haver uma grande população de buracos negros supermassivos binários prestes a colidir e criar um buraco negro ainda maior.
Uma nova pesquisa sugere que quasares – os corações luminosos das galáxias ativas, alimentados por buracos negros supermassivos – podem ser o “elo perdido”. A equipe acredita que as galáxias com quasares poderiam ter sete vezes mais probabilidade de hospedar esses binários do que outras galáxias.
O artigo está publicado como um artigo pré-revisado por pares no arXiv.
As descobertas podem ajudar na busca por esses objetos usando ondas gravitacionais, pequenas ondulações no espaço e no tempo previstas pela primeira vez na Teoria da Relatividade Geral, pubicada por Albert Einstein em 1915.
“Essas descobertas são úteis para pesquisas direcionadas de binários de buracos negros supermassivos, nas quais pesquisamos galáxias e quasares específicos em busca de ondas gravitacionais contínuas de binários de buracos negros supermassivos individuais”, disse o principal autor da pesquisa, Andrew Casey-Clyde, aluno de doutorado na Universidade de Connecticut e pesquisador visitante da Universidade de Yale, ao site Space.com.
“Nossos resultados significam que essas pesquisas direcionadas terão até sete vezes mais probabilidade de encontrar ondas gravitacionais de um buraco negro supermassivo binário em um quasar do que em uma galáxia massiva aleatória”, disse ele.
Quasares A descoberta teve início com algo um tanto decepcionante. Em 2015, o Catalina Real-time Transient Survey (CRTS), conduzido por três telescópios que cobrem uma vasta área do céu, propôs que 111 quasares com curvas de luz periódicas poderiam ser candidatos binários a buracos negros supermassivos. No entanto, usando medições recentes do fundo universal de ondas gravitacionais, Casey-Clyde e colegas determinaram que a maioria desses candidatos a quasar binário eram provavelmente detecções falsas.
“Mesmo depois de corrigir o grande número de falsos positivos […], este trabalho mostra que os quasares podem ter maior probabilidade de hospedar binários de buracos negros supermassivos do que galáxias aleatórias”, disse Casey-Clyde.
Alguns buracos negros supermassivos estão rodeados por uma grande quantidade de material, na forma de uma nuvem achatada de gás e poeira, o disco de acreção, que gradualmente os alimenta com matéria. A imensa influência gravitacional destes buracos negros gera poderosas forças de maré nos discos de acreção, que causam fricção, que aquece este material e faz com que brilhe intensamente em todo o espectro eletromagnético.
Além disso, o material que não alimenta o buraco negro é canalizado para os seus polos, onde é expelido na forma de jatos altamente colimados e de alta energia. Esses jatos também emitem radiação eletromagnética. Como resultado, estas regiões galácticas centrais, chamadas de “núcleos galácticos ativos” (AGNs), vistas como quasares, podem ser tão brilhantes que ofuscam a luz combinada das estrelas dessa galáxia.
Muitas vezes, o buraco negro supermassivo gera um quasar porque está dentro de uma galáxia que se fundiu com outra de tamanho semelhante. Essa fusão o alimenta com novo suprimento de gás e poeira. A fusão galáctica também aproxima os buracos negros supermassivos centrais das galáxias. Os quasares binários são sistemas binários de buracos negros supermassivos com atividade de quasar e um disco de acreção que circunda ambos os buracos negros.
“Sabemos que os quasares podem ser desencadeados por grandes fusões de galáxias, onde duas galáxias de massa semelhante se fundem. Estas fusões também levam à eventual formação de um buraco negro supermassivo binário,” explicou Casey-Clyde. “Uma vez que os binários de buracos negros supermassivos são formados por grandes fusões de galáxias, e os quasares podem ser desencadeados por essas fusões, isso sugere que alguns quasares podem estar associados a binários de buracos negros supermassivos.”
NANOGrav Para essa pesquisa, a equipe analisou especificamente quasares com emissões de luz que se repetem durante determinado período – as curvas de luz periódicas. Simulações sugeriram que essas curvas de luz podem ser a assinatura de um buraco negro supermassivo binário. Parte integrante do estudo foi uma coleção de pulsares de estrelas de nêutrons com rotação altamente precisa, chamada matriz de pulsares NANOGrav. Girando centenas de vezes por segundo, os pulsares podem ser usados como um cronômetro cósmico altamente sensível quando considerados em massa.
No ano passado, o NANOGrav detectou o sinal fraco de ondas gravitacionais de fundo de fusões de buracos negros distantes. A equipe foi capaz de usar essa detecção para restringir a população binária. Os pulsares ajudaram a equipe a impor restrições à população de quasares.
Como a equipe usou uma combinação de observações eletromagnéticas de quasares e detecções de ondas gravitacionais do conjunto de pulsares NANOGrav, a pesquisa é um exemplo de astronomia multimensageira – investigações do universo que usam pelo menos dois sinais completamente diferentes em uníssono.
“A astronomia multimensageira foi crucial para restringir a população de quasares binários neste trabalho. Especificamente, como os quasares binários são um subconjunto das populações binárias de quasares e de buracos negros supermassivos, as restrições em cada um deles também são restrições na população de quasares binários”, disse Casey-Clyde.
“Há muito tempo que suspeitávamos que os quasares poderiam sinalizar binários de buracos negros supermassivos devido às ligações que ambos têm com grandes fusões de galáxias. Agora mostramos que a associação ainda é plausível, mesmo depois de considerar a contaminação na amostra do CRTS.”
Os resultados surpreenderam a equipe, pois descobriram que os quasares mais brilhantes têm menos probabilidade de hospedar um buraco negro binário do que os quasares mais fracos.
“O fato de candidatos a quasar binários mais brilhantes terem menos probabilidade de serem genuínos foi surpreendente. No entanto, faz sentido quando se considera a raridade de binários de buracos negros supermassivos de grande massa”, comentou. “Isso ocorre porque os quasares binários mais brilhantes devem estar associados aos binários de buracos negros supermassivos mais massivos. No entanto, os binários de buracos negros supermassivos mais massivos são raros, porque se fundem de forma relativamente rápida.”
Isso significa que os binários de menor massa passam mais tempo no alcance de tais objetos que as matrizes de temporização de pulsares podem detectar e, portanto, têm muito mais probabilidade de serem detectados.
Ondas gravitacionais Casey-Clyde acrescentou que as pesquisas direcionadas de ondas gravitacionais são um dos próximos passos mais importantes da pesquisa, acrescentando que a equipe também pretende caçar pares de buracos negros amplamente separados que representem o estágio antes da formação de um buraco negro supermassivo binário próximo.
“Em particular, a detecção de ondas gravitacionais de uma galáxia que hospeda um quasar nos permitirá testar como o movimento orbital de um buraco negro supermassivo é impresso na curva de luz de um quasar”, disse ele. “As pesquisas por AGNs duplos serão importantes para restringir os pares de buracos negros supermassivos, que são precursores de ampla separação de binários de buracos negros supermassivos resultantes de recentes fusões de galáxias.”
Isto permitirá restringir melhor o número de binários que esperam ver no cosmos e, assim, compreender melhor a relação entre quasares e fusões de galáxias.
“O Legacy Survey of Space and Time (LSST), a ser conduzido em breve pelo Observatório Vera C. Rubin, será crucial para melhorar as restrições à população de quasares binários”, concluiu. “No entanto, precisaremos esperar cerca de uma década de observações para o fazer, uma vez que se pensa que as curvas binárias de luz dos quasares têm períodos na escala de anos.”