Um novo método de medir buracos negros

Mapa que mostra o agrupamento de galáxias com buracos negros ativos criado com o Astera, uma ferramenta de visualização cósmica desenvolvida na Universidade de Southampton. Crédito: Chris Marsden

Os buracos negros supermassivos são os maiores buracos negros, com massas que podem exceder mil milhões de sóis. Apenas esta primavera foi divulgada a primeira imagem do buraco negro supermassivo no centro da galáxia M87, e os investigadores recentemente avistaram o maior buraco negro supermassivo conhecido. Apesar destes esforços inovadores, descobrir como esses buracos negros moldam e estruturam uma galáxia continua a ser um desafio, porque a maioria delas está demasiada longe para os telescópios atuais as resolverem com precisão.

Um estudo publicado na Nature Astronomy descreve uma nova maneira de "pesar" buracos negros supermassivos no centro das galáxias usando galáxias vizinhas como representantes. A investigação foi uma colaboração global envolvendo investigadores de instituições do Reino Unido, Itália, Alemanha, Chile e Estados Unidos.

A obtenção de uma estimativa precisa da massa de um buraco negro supermassivo é geralmente feita medindo a velocidade da poeira e do gás que gira em seu redor. Isto requer telescópios extremamente sensíveis usando uma análise complexa e só pode ser feito para buracos negros grandes o suficiente para serem resolvidos relativamente perto da Terra. No entanto, se esta massa estiver correlacionada com outras propriedades da galáxia hospedeira, aquelas que podem ser medidas mesmo quando o buraco negro é mais pequeno ou está mais distante, é possível usar estas outras propriedades como "representantes" da massa.

No entanto, como explica Mariangela Bernardi da Universidade da Pensilvânia, EUA: "Percebemos que existe um viés na amostra vizinha usada para calibrar as massas. Os objetos para os quais atualmente podemos medir massas não parecem ser típicos. O nosso trabalho sugeriu que os buracos negros supermassivos não são, em média, tão grandes quanto se pensava anteriormente."

Para verificar esta diferença de massa, os cientistas desenvolveram uma maneira nova e muito diferente de estimar as massas dos buracos negros. Usaram o facto de que, enquanto um buraco negro é cercado pela sua galáxia hospedeira, a própria galáxia é cercada por um "halo" ainda maior de matéria escura. Sabe-se que galáxias cercadas por halos mais massivos se agrupam com outras galáxias grandes e massivas. Como existem buracos negros mais massivos em galáxias mais massivas com halos mais massivos, a força deste agrupamento na verdade "pesa" os halos de matéria escura e, por conseguinte, as massas dos buracos negros nos seus centros.

Esta nova medição também sugere que os buracos negros supermassivos são menos massivos do que se pensava anteriormente e podem explicar por que é que algumas experiências em andamento não produziram os resultados esperados. Como exemplo, os pulsares, remanescentes de estrelas que explodiram, brilham como faróis que giram centenas de vezes por segundo. A luz dos pulsares é emitida em intervalos incrivelmente curtos e regulares, à medida que o feixe varre a Terra repetidamente. Os investigadores estão atualmente à procura de ondas gravitacionais produzidas pela colisão de dois buracos negros supermassivos, que devem fazer com que estes feixes oscilem na direção da Terra e para longe da Terra, à medida que a onda passa e afeta o campo dos pulsos.

Como as mudanças esperadas ainda não foram vistas, diz Ravi Sheth, também da mesma universidade norte-americana, "as pessoas estavam a começar a ficar preocupadas com a possibilidade de que talvez a gravidade fosse estranha, ou talvez não compreendêssemos completamente a física das fusões que formam ondas gravitacionais. Mas se as verdadeiras massas dos buracos negros forem menores do que se pensava, então as ondas gravitacionais previstas seriam mais fracas, dificultando a deteção das mudanças no 'timing' do pulsar."

Nos próximos 10 anos, espera-se que novos telescópios sejam capazes de obter medições de massa mais precisas para buracos negros e proporcionem uma oportunidade para os investigadores testarem o seu novo método em conjuntos maiores de dados. Instalações como o ELT (Extremely Large Telescope), com 39 metros, com conclusão para 2025, podem permitir que os cientistas meçam buracos negros mais pequenos e mais distantes e as suas galáxias hospedeiras diretamente.

"Estas descobertas têm implicações significativas para a nossa compreensão da evolução e crescimento dos buracos negros supermassivos," diz o autor principal Francesco Shankar. Bernardi acrescenta que este trabalho também permitirá que os cientistas estudem mais detalhadamente a ligação entre o crescimento dos buracos negros supermassivos e a evolução das galáxias.