É bastante desafiador para os buracos negros colidirem uns com os outros, mas acontece

O conceito de um artista mostrando um buraco negro supermassivo cercado por um disco de gás. Crédito da imagem: Caltech/R. Hurt (IPAC)

As muitas fusões de buracos negros detectadas através de observatórios de ondas gravitacionais revelaram que os buracos negros colidem uns com os outros com muito mais frequência do que pensávamos. 

Sabemos que grandes galáxias crescem a partir da fusão coletiva de muitas galáxias menores e que quase todas as galáxias do universo abrigam um buraco negro gigante em seu centro. Mas geralmente, cada galáxia tem apenas um buraco negro gigante, nos dizendo que, se as galáxias se fundem, seus buracos negros também o fazem.

Mas fazer buracos negros colidirem uns com os outros é bastante desafiador. Para aproximar dois objetos em órbita, você precisa sugar energia e momento angular para longe do sistema. Porque no espaço quase não tem atrito, este é um trabalho difícil. Os sistemas planetários fazem isso o tempo todo, mas geralmente envolve a emissão de radiação ou a presença de gás. Os buracos negros não têm essa opção.

As ondas gravitacionais podem extrair energia e momento de um sistema binário, mas como as ondas gravitacionais são tão fracas, esse processo funciona bem apenas quando os dois buracos negros já estão muito próximos um do outro. Isso é conhecido como o "problema final do parsec", pelo qual os astrônomos reconheceram a dificuldade em obter buracos negros binários próximos o suficiente para permitir que as ondas gravitacionais façam o resto do trabalho na condução da fusão.

Resolvendo o problema do parsec final

Ao longo dos anos, os astrônomos criaram uma variedade de maneiras de resolver o problema final do parsec. Esses mecanismos geralmente envolvem a presença de um terceiro objeto bem além da órbita mútua do par binário. Se as condições estiverem corretas, com os alinhamentos e velocidades corretos, o terceiro companheiro pode puxar suavemente o binário, estendendo sua órbita. Esse alongamento aumenta a elipticidade da órbita do buraco negro binário. Com o aumento da elipticidade, os buracos negros começam a passar cada vez mais tempo juntos. Quando atingem uma distância crítica, as ondas gravitacionais fecham a lacuna e os buracos negros finalmente se fundem.

Mas esse cenário requer uma configuração precisa para o terceiro companheiro e pode não ser suficiente. Com base em todas as observações de ondas gravitacionais, os astrônomos estimam que há algo entre 15 e 38 fusões de buracos negros a cada ano dentro de cada gigaparsec cúbico de volume no universo (cerca de 1/12000 do volume total do universo observável), e mecanismos que dependem de um terceiro companheiro produzem menos da metade desse número.

Em um novo artigo publicado no banco de dados de pré-impressão arXiv, os pesquisadores propõem uma nova maneira dos buracos negros se fundirem. Ele também usa uma configuração um tanto específica, mas é muito mais genérica do que a dependência de um terceiro companheiro distante.

A configuração começa perto de um buraco negro supermassivo. Esta não é uma ideia maluca, já que os buracos negros supermassivos ficam no centro das galáxias, que estão repletas de estrelas e, portanto, muitos buracos negros menores. Tal como acontece com a maioria das coisas perto do centro da galáxia, provavelmente podemos encontrar muitos buracos negros binários orbitando preguiçosamente o supermassivo central.

Esta imagem mostra Sagitário A*, o buraco negro no centro da Via Láctea. Crédito da imagem: Colaboração EHT, CC BY-SA

Os autores do artigo descobriram que, se o binário estiver inclinado em relação à sua órbita ao redor do buraco negro supermassivo, há uma chance de estabelecer uma fusão. Primeiro, o par binário precisa precessar, o que significa que o eixo de sua rotação orbital oscila ao longo do tempo. Se a taxa dessa precessão corresponder ao período orbital ao redor do buraco negro supermassivo central, sua enorme gravidade puxará regularmente o binário, fazendo com que sua excentricidade aumente e aumente as chances de uma fusão final.

Mas esse tipo de correspondência só pode acontecer se a órbita do binário em torno do buraco negro supermassivo central estiver exatamente correta, e isso deve ser uma coincidência de muita sorte. Felizmente, os autores descobriram que a natureza pode cuidar disso. Onde quer que os buracos negros binários nasçam, se estiverem no disco do buraco negro supermassivo, eles migrarão lentamente para dentro.

Não importa sua órbita inicial, eles eventualmente encontrarão uma distância em que seu período orbital corresponda ao seu período de precessão. Se eles permanecerem nessa órbita por tempo suficiente, a gravidade do buraco negro supermassivo central terá tempo suficiente para aumentar a excentricidade. 

Os autores descobriram que este é um cenário bastante genérico. Ao executar muitas simulações de propriedades de buracos negros e condições iniciais, eles descobriram que buracos negros binários se fundem rotineiramente.

Ainda não está claro se esse é o principal mecanismo pelo qual as fusões ocorrem ou se é apenas uma das muitas maneiras. Independentemente disso, o trabalho mostra o quão complicado pode ser a vida dos buracos negros e as muitas maneiras pelas quais eles podem dançar no escuro.

Junte-se aos nossos Canais Espaciais para continuar falando sobre o espaço nas últimas missões, céu noturno e muito mais! Siga-nos no facebook, twitter e instagram. Inscreva-se no boletim informativo. E se você tiver uma dica, correção ou comentário, informe-nos aqui ou pelo e-mail: gaiaciencia@gaiaciencia.com.br

Referência:

SUTTER, Paul Matt. How dancing black holes get close enough to merge. Space, Nova York, 09, ago. 2022. Disponível em: <https://www.space.com/dancing-black-holes-merge>. Acesso em: 09, ago. 2022.

Marcello Franciolle F T I P E
Founder - Gaia Ciência

Marcello é fundador da Gaia Ciência, que é um periódico científico que foi pensado para ser uma ferramenta para entender o universo e o mundo em que vivemos, com temas candentes e fascinantes sobre o Universo e Ciências da Terra para inspirar e encantar as pessoas. Ele é graduando em Administração pelo Centro Universitário N. Sra. do Patrocínio (CEUNSP) – frequentou a Universidade de Sorocaba (UNISO); graduação em Análise de Sistemas e onde participou do Encontro de Pesquisadores e Iniciação Científica (EPIC). Suas paixões são literatura, filosofia, poesia e claro ciência.