Fusão de buracos negros é antecipada por telescópio em sistema distante
O Telescópio Espacial James Webb revelou uma cena rara ocorrida quando o Universo ainda estava em sua juventude: três buracos negros massivos estavam ativos dentro da mesma galáxia, consumindo matéria e crescendo ao mesmo tempo. Dois deles aparecem tão próximos que os pesquisadores acreditam estar observando uma etapa que pode terminar com a fusão dos objetos.
A galáxia, chamada J0148-4214, está a mais de 12,5 bilhões de anos-luz da Terra. Isso significa que a luz registrada agora pelo Webb partiu de lá quando haviam se passado apenas cerca de 1,2 bilhão de anos desde o Big Bang.
O resultado ajuda a atacar uma das perguntas mais persistentes da astronomia moderna: como buracos negros enormes conseguiram crescer tão rapidamente no início da história cósmica?
A resposta pode envolver não apenas a quantidade de matéria que esses objetos devoravam, mas também algo muito mais dramático: buracos negros se encontrando e se fundindo repetidamente.
James Webb encontrou três buracos negros na mesma galáxia
A descoberta foi liderada por Hannah Übler, do Instituto Max Planck de Física Extraterrestre, e publicada na revista científica Astronomy & Astrophysics. Os pesquisadores analisaram a galáxia J0148-4214 utilizando o instrumento NIRSpec do James Webb.
Os dados revelaram três regiões distintas associadas à presença de buracos negros que estão acumulando matéria.
Dois desses objetos ficam na região central da galáxia. A separação projetada entre eles é de aproximadamente 190 parsecs, ou cerca de 620 anos-luz. O terceiro aparece mais afastado, a aproximadamente 1,7 quiloparsec — cerca de 5.500 anos-luz — do centro.
Encontrar um único buraco negro ativo no Universo primordial já é importante. Encontrar três dentro do mesmo sistema oferece uma oportunidade muito mais rara para entender como esses gigantes evoluíram.
Os três gigantes têm massas muito diferentes
As estimativas também mostram que não estamos diante de três objetos iguais.
O maior deles possui massa estimada em cerca de 80 milhões de vezes a massa do Sol. O segundo buraco negro central tem aproximadamente 600 mil massas solares, enquanto o terceiro chega à ordem de 2 milhões de massas solares.
Essa diferença é particularmente interessante porque os dois buracos negros mais próximos formam um sistema com uma razão de massas bastante desigual.
O maior domina a região central, mas o menor pode estar sendo lentamente puxado em sua direção.
É esse processo que pode colocar os dois em uma trajetória que, no futuro, termine em uma única estrutura ainda mais massiva.
Eles realmente estão prestes a se fundir?
Aqui existe uma diferença importante entre o significado cotidiano de “prestes” e o utilizado quando falamos de astronomia.
Os buracos negros não devem colidir nos próximos anos, séculos ou mesmo milhões de anos.
Com base em um cálculo simplificado de fricção dinâmica, os pesquisadores estimam que o buraco negro menor possa levar aproximadamente 660 milhões de anos para se aproximar do maior. O estudo resume a escala de tempo como inferior ou próxima de 700 milhões de anos.
Para a vida humana, isso é praticamente uma eternidade.
Para a evolução de galáxias e buracos negros, porém, representa uma fase relativamente rápida.
Há ainda outra cautela: os cientistas afirmam que, considerando uma órbita circular, os dois objetos centrais podem ainda não formar um sistema binário gravitacionalmente ligado. Isso pode mudar caso a órbita seja excêntrica.
Portanto, o Webb não fotografou literalmente dois buracos negros nos segundos finais antes de uma colisão.
O que ele pode ter registrado é algo igualmente valioso: uma fase inicial do processo que coloca dois buracos negros massivos no caminho para uma futura fusão.
Por que os buracos negros estão se aproximando
Quando duas galáxias interagem ou se fundem, seus buracos negros centrais não necessariamente colidem imediatamente.
Eles podem permanecer separados por grandes distâncias enquanto atravessam um ambiente repleto de estrelas, gás e matéria escura.
À medida que um buraco negro se move por esse ambiente, suas interações gravitacionais transferem energia e momento para a matéria ao redor. Esse mecanismo, conhecido como fricção dinâmica, reduz gradualmente sua órbita e faz com que os objetos se aproximem.
Se continuarem se aproximando, outros mecanismos passam a dominar.
Em distâncias muito menores, interações com estrelas e gás podem continuar retirando energia do sistema. Quando finalmente alcançam separações extremamente pequenas, a emissão de ondas gravitacionais torna-se decisiva.
A órbita encolhe cada vez mais rápido até ocorrer a fusão.
O terceiro buraco negro torna tudo ainda mais interessante
Se dois buracos negros no centro de uma galáxia já representam um sistema complexo, a presença de um terceiro pode alterar completamente sua evolução.
O terceiro objeto de J0148-4214 está muito mais distante do centro, mas há diferentes explicações para sua presença.
Uma possibilidade é que ele também esteja migrando lentamente para a região central. Pelos cálculos simplificados apresentados no estudo, esse processo poderia levar vários bilhões de anos.
Nesse cenário, a galáxia poderia experimentar mais de uma fusão de buracos negros ao longo de sua história.
Mas existe uma hipótese ainda mais intrigante.
O terceiro objeto pode ter participado anteriormente de uma interação entre três buracos negros e ter sido lançado para longe da região central. Outra possibilidade envolve um chamado recuo gravitacional, que pode ocorrer após a fusão de dois buracos negros.
Os próprios pesquisadores afirmam que novas observações serão necessárias para esclarecer a dinâmica do sistema.
Como o James Webb descobriu algo que não podemos enxergar diretamente?
Buracos negros, por definição, não emitem a luz necessária para serem observados diretamente.
O segredo está na matéria ao redor deles.
Quando um buraco negro está ativo, gás e outros materiais podem formar um disco de acreção e atingir velocidades extremamente elevadas. A radiação produzida nesse ambiente deixa assinaturas específicas no espectro da luz.
Os pesquisadores identificaram diferentes regiões de emissão ampla de hidrogênio-alfa. O gás observado nessas regiões alcança velocidades de centenas a milhares de quilômetros por segundo, comportamento característico do ambiente próximo a buracos negros ativos.
A equipe também analisou explicações alternativas, como supernovas, ventos, estrelas massivas e ondas de choque.
Após comparar os dados, concluiu que a interpretação mais consistente é a existência de três regiões de linhas largas associadas a três buracos negros massivos em processo de acreção.
O NIRSpec foi decisivo para separar os objetos
A capacidade do James Webb de fazer espectroscopia espacialmente resolvida foi fundamental.
O instrumento NIRSpec, trabalhando no infravermelho próximo, consegue decompor a luz recebida e revelar informações sobre diferentes regiões de um objeto distante.
No caso de J0148-4214, essa capacidade permitiu identificar separadamente as assinaturas dos dois buracos negros centrais, embora a distância entre eles corresponda a uma separação angular minúscula no céu.
Segundo o estudo, observações anteriores que analisavam apenas o espectro integrado da galáxia já davam pistas de uma estrutura complexa. Somente o mapeamento espectroscópico do NIRSpec permitiu separar os componentes e identificar também o terceiro buraco negro.
É um exemplo do tipo de descoberta que o Webb tornou possível desde o início de suas operações científicas.
A descoberta pode explicar um antigo mistério do Universo
Há décadas os astrônomos tentam explicar como buracos negros com milhões ou bilhões de massas solares já existiam quando o Universo era muito jovem.
Criar estruturas tão grandes em relativamente pouco tempo exige mecanismos eficientes de crescimento.
Uma possibilidade é que alguns tenham começado como “sementes” relativamente grandes. Outra envolve períodos de acreção extremamente rápida, nos quais enormes quantidades de gás alimentam o buraco negro.
A nova descoberta reforça um terceiro ingrediente: fusões.
Se encontros entre galáxias trouxeram seus buracos negros para uma mesma região e esses objetos posteriormente se combinaram, a massa poderia crescer em grandes saltos.
A existência de três buracos negros ativos dentro de uma galáxia vista apenas 1,2 bilhão de anos após o Big Bang mostra que esse tipo de interação já poderia estar acontecendo muito cedo na história do Universo.
Fusões de buracos negros também produzem ondas gravitacionais
Quando dois buracos negros finalmente se fundem, uma enorme quantidade de energia é liberada na forma de ondas gravitacionais — deformações no próprio espaço-tempo.
Esse fenômeno já foi detectado em fusões envolvendo buracos negros de massa estelar. Sistemas com buracos negros muito mais massivos, entretanto, produzem sinais em frequências diferentes.
É justamente aí que entra a LISA, futura missão espacial dedicada à detecção de ondas gravitacionais.
Os pesquisadores fizeram simulações para verificar se descendentes de sistemas semelhantes ao observado pelo Webb poderiam ser detectados pela LISA. Dependendo da evolução e das massas envolvidas, os resultados indicam que essas futuras fusões podem se tornar alvos importantes desse tipo de observatório.
Assim, o Webb pode estar revelando no espectro eletromagnético sistemas cujos descendentes poderão ser estudados também por ondas gravitacionais.
Estamos vendo um acontecimento que já ocorreu há bilhões de anos
Existe ainda uma peculiaridade que torna essa descoberta mais fascinante.
Quando dizemos que dois buracos negros observados pelo James Webb podem se fundir daqui a centenas de milhões de anos, estamos falando do futuro da cena que o telescópio está enxergando.
A luz dessa galáxia levou mais de 12,5 bilhões de anos para chegar até nós. Portanto, não sabemos qual é a aparência atual de J0148-4214.
Na prática, estamos vendo uma espécie de fotografia extremamente antiga.
Durante os bilhões de anos transcorridos desde que aquela luz iniciou sua viagem, o sistema teve tempo suficiente para mudar completamente.
É possível, inclusive, que as fusões discutidas pelos pesquisadores já tenham acontecido há bilhões de anos — mas a luz ou os sinais correspondentes ainda fazem parte de uma história cósmica que precisamos reconstruir a partir das observações.
O Webb pode encontrar outros sistemas semelhantes
A descoberta também levanta outra possibilidade: talvez sistemas com vários buracos negros fossem mais comuns no Universo primordial do que se imaginava.
Os autores observam que outros núcleos galácticos ativos distantes apresentam espectros complexos que poderiam esconder dois ou mais buracos negros. Observações detalhadas com o NIRSpec serão necessárias para confirmar esses casos.
Isso significa que J0148-4214 pode não ser apenas uma curiosidade cósmica.
Ela pode representar uma população de sistemas que permaneceu invisível porque os telescópios anteriores não tinham resolução e sensibilidade suficientes para separá-los.
Se novas observações confirmarem esse cenário, os astrônomos poderão ter uma pista fundamental para explicar por que buracos negros gigantes apareceram tão cedo no Universo.
O Webb, nesse caso, não estaria apenas encontrando objetos cada vez mais distantes.
Estaria revelando como os primeiros gigantes cósmicos cresceram.
Perguntas frequentes
Quantos buracos negros o James Webb encontrou?
Os pesquisadores encontraram evidências de três buracos negros massivos ativos na galáxia J0148-4214. Dois estão na região central, enquanto um terceiro aparece mais afastado.
Os dois buracos negros vão realmente se fundir?
Os pesquisadores consideram provável que os dois objetos centrais continuem se aproximando e eventualmente se fundam. Entretanto, a evolução do sistema depende de fatores como órbita, gás, estrelas e matéria escura ao redor.
Quando acontecerá a fusão?
Uma estimativa simplificada apresentada no estudo aponta para um período de aproximadamente 660 milhões de anos para a aproximação causada pela fricção dinâmica, com uma escala indicada pelos pesquisadores de até cerca de 700 milhões de anos.
Qual é a distância entre os dois buracos negros?
A separação projetada observada é de aproximadamente 190 parsecs, equivalente a cerca de 620 anos-luz.
Qual é a distância da galáxia até a Terra?
A luz de J0148-4214 viajou por mais de 12,5 bilhões de anos até chegar à Terra. Por isso, observamos a galáxia como ela era apenas cerca de 1,2 bilhão de anos após o Big Bang.
Por que essa descoberta é importante?
O sistema oferece evidências de que múltiplos buracos negros massivos podiam interagir dentro de uma mesma galáxia quando o Universo ainda era jovem. Fusões desse tipo podem ter contribuído para o rápido crescimento dos primeiros buracos negros gigantes.
