Correlação entre velocidade e poeira, prevista em 2016, aparece pela primeira vez nos dados do SDSS e sugere que metade dos quasares passou por uma fusão recente de buracos negros.
Buracos negros supermassivos arremessados do centro de suas galáxias pelo recuo das próprias ondas gravitacionais deixam uma marca estatística na luz de cerca de 100 mil quasares, segundo um novo estudo: quanto maior a velocidade do buraco negro em relação à galáxia, mais avermelhada pela poeira é a luz que chega até nós.
Isso importa porque é a primeira busca dessa assinatura numa população inteira, e não em objetos isolados. Se a interpretação se confirmar, cerca de metade dos quasares pode ter passado por uma fusão recente de buracos negros.
A história começa quando duas galáxias se fundem. Seus buracos negros centrais formam um par e acabam colidindo. As ondas gravitacionais da colisão carregam momento e, se a emissão é desigual, o remanescente recebe um chute de 100 a 1.000 km/s, como o coice de uma arma.
Mil quilômetros por segundo são 3,6 milhões de km/h, o bastante para ir de São Paulo ao Rio em menos de meio segundo. Em casos extremos o chute chega a milhares de km/s e o buraco negro escapa da galáxia.
Na maioria das vezes, porém, ele sobe, cai de volta, atravessa o núcleo e oscila por milhões de anos. E não parte sozinho: leva a parte interna do disco de gás que o alimenta e segue brilhando como um quasar por 10 a 100 milhões de anos.
Candidatos individuais existem há duas décadas, como o quasar 3C 186, deslocado 36 mil anos-luz do centro de sua galáxia, mas cada caso admite uma explicação alternativa, como um par de galáxias em fusão, que ninguém conseguiu descartar.
O novo trabalho é de Bence Bécsy, da Universidade de Birmingham, e de Peter Raffai, Andor Budai e Zsolt Frei, da Universidade Eötvös Loránd, em Budapeste, com Zoltán Haiman, do ISTA, na Áustria, e da Universidade Columbia. Raffai, Haiman e Frei haviam previsto o efeito em simulações de 2016.
A previsão lembra uma criança num balanço que atravessa, a cada ida e volta, uma nuvem de fumaça parada no ponto mais baixo, onde está sempre mais rápida. O buraco negro chutado é mais veloz ao cruzar o centro da galáxia, onde fica o toro de poeira, e por isso os mais rápidos aparecem mais vezes atrás da poeira.
Para testar a ideia, a equipe usou o catálogo do Sloan Digital Sky Survey (SDSS), com 750.414 quasares, e um catálogo de 2022 com as medidas das linhas de cada espectro. Após cortes severos de qualidade, sobraram 104.688 objetos.
A velocidade vem da comparação entre a linha larga do hidrogênio (H-beta), emitida por nuvens que orbitam a poucos dias-luz do buraco negro e viajam com ele, e linhas estreitas emitidas a milhares de anos-luz, que ficam com a galáxia. A poeira vem do excesso de vermelho de cada quasar em relação à média dos quasares à mesma distância.
Um V desenhado por 100 mil pontos
Ponto a ponto, os 100 mil quasares formam uma nuvem sem forma. Agrupados em 22 faixas de velocidade, eles desenham um V: os objetos com grandes deslocamentos são em média mais avermelhados. A correlação tem coeficiente de 0,118 (Spearman) e 0,133 (Pearson), com chance de ser obra do acaso inferior a uma em dez bilhões.
Um coeficiente de 0,13 é fraco, mas medido em 100 mil objetos funciona como um dado viciado lançado 100 mil vezes: nenhuma jogada prova nada, o conjunto não deixa dúvida. O valor bate com os 0,13 previstos em 2016 para uma população parcialmente obscurecida e fica abaixo dos 0,28 esperados se todos os quasares estivessem em recuo.
Dessa diferença sai a estimativa de que cerca de 50% dos quasares passaram por uma fusão recente, uma a cada 20 a 200 milhões de anos por buraco negro. A fração de quasares fortemente obscurecidos triplica entre a velocidade zero e os 2.700 km/s, de 6% para 20%.
O sinal resiste a mudanças no limite mínimo de velocidade até cerca de 2.000 km/s e a três maneiras de medir o deslocamento das linhas. Comparadas entre si, as linhas estreitas não mostram a correlação positiva, exatamente como se espera se o sinal vem do movimento do buraco negro.
“Buracos negros massivos em recuo fornecem uma explicação natural para a correlação observada, mas cenários alternativos devem ser explorados”, escreveram os autores no artigo, publicado em julho.
Há ressalvas. Os quasares cujo buraco negro se aproxima de nós parecem mais empoeirados do que os que se afastam, o oposto do esperado, talvez por um viés de cerca de 300 km/s nas velocidades. Ventos, rotação do disco e pares de buracos negros ainda não fundidos também deslocam linhas, e a estimativa de 50% é de ordem de grandeza.
Os próximos passos são repetir o teste com outras linhas largas e medir a poeira diretamente nos espectros. “A presença da própria correlação, se de fato causada por buracos negros supermassivos em recuo, implica de forma robusta que uma fração substancial dos quasares deve ter passado por uma fusão recente”, escreveram os autores no artigo.
Quando o observatório espacial LISA começar a escutar essas fusões, na década de 2030, saberemos se os chutes registrados batem com o rastro empoeirado que 100 mil quasares deixaram na luz.
O estudo foi publicado na revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Saiba mais: https://doi.org/10.1093/mnras/stag1367
