A nova pesquisa, apresentada na Reunião Nacional de Astronomia de 2023 pelo estudante de doutorado da Universidade de Oxford, Connar Rowan, lança luz sobre os ambientes que podem levar a eventos de fusão de buracos negros. Este estudo é uma continuação da descoberta das ondas gravitacionais, inicialmente previstas por Albert Einstein em 1916 e detectadas pela primeira vez na Terra em 2015.
A origem dessas ondas gravitacionais no cosmos tem sido uma questão em aberto. Para serem detectáveis em distâncias tão vastas, as ondas gravitacionais que observamos só podem ter vindo de pares de objetos grandes e altamente densos em estreita proximidade um do outro, como buracos negros binários ou estrelas de nêutrons. Até agora, foram feitas mais de 90 detecções desse tipo, embora o ambiente astrofísico primário que permite que esses objetos se aproximem o suficiente para emitir ondas gravitacionais permaneça um mistério.
Um possível ambiente onde os buracos negros podem sofrer fusões frequentes está nos quasares. Um quasar é um poderoso núcleo galáctico ativo alimentado por um buraco negro supermassivo. Um disco denso de gás gira em torno de um buraco negro supermassivo próximo à velocidade da luz, resultando em emissões extremamente brilhantes.
As interações dos buracos negros de massa estelar com o disco de gás de um buraco negro supermassivo são altamente complexas e requerem simulações computacionais sofisticadas para serem compreendidas. Na nova pesquisa, a equipe de astrônomos da Universidade de Oxford e da Universidade de Columbia examinou o comportamento de tais buracos negros de massa estelar incorporados ao disco. O trabalho sugere que os buracos negros de massa estelar poderiam ser arrastados para discos de gás quasar densos e forçados a sistemas binários por interações gravitacionais entre si e o gás nos discos.
A equipe realizou simulações de alta resolução do disco gasoso de um quasar contendo dois buracos negros de massa estelar. O objetivo da simulação é ver se os buracos negros são capturados em um sistema binário gravitacionalmente ligado e possivelmente se fundem em um momento posterior dentro do disco de gás. Essas simulações usam 25 milhões de partículas de gás para imitar os fluxos de gás complexos durante o encontro, o que requer um tempo de execução computacional de cerca de 3 meses para cada simulação.
As simulações mostram que o gás reduz a velocidade dos buracos negros durante o encontro, de modo que os buracos negros que normalmente simplesmente se separariam permanecem gravitacionalmente ligados, presos em órbita um ao redor do outro enquanto ambos, por sua vez, orbitam o buraco negro supermassivo. Isso ocorre através de uma mistura de puxões gravitacionais entre eles e os massivos fluxos de gás no disco e discos “mini” individuais ao redor dos buracos negros individuais.
Além disso, o arrasto direto do gás, análogo à resistência do ar, também desempenha um papel, onde o gás ‘comido’ pelos buracos negros ao longo de seu caminho os força a desacelerar. Em resposta à absorção da energia cinética do buraco negro por meio da interação gravitacional, o gás é violentamente ejetado imediatamente após o encontro. Esse resultado ocorre na maioria das simulações e confirma as expectativas anteriores de que o gás facilita muito a captura de buracos negros em pares ligados.
Foi também descoberto que a direção da órbita dos buracos negros impactava como eles evoluíam. Em metade dos binários retrógrados – sistemas binários onde os buracos negros orbitam um ao outro na direção oposta à sua órbita ao redor do buraco negro supermassivo – os buracos negros poderiam se aproximar o suficiente para produzir ondas gravitacionais significativas e dissipar muito rapidamente sua energia orbital por meio dessas emissões de ondas, fundindo-se muito abruptamente.
O líder da pesquisa, Connar Rowan, diz: “Essas simulações abordam duas questões principais: o gás pode catalisar a formação de binários de buracos negros e, se sim, eles podem se aproximar ainda mais e se fundir? Para que esse processo explique a origem dos sinais de ondas gravitacionais observados, ambas as respostas precisam ser sim.”
“Esses resultados são incrivelmente emocionantes, pois validam que as fusões de buracos negros em discos de buracos negros supermassivos podem acontecer, e possivelmente explicam muitos ou talvez a maioria dos sinais de ondas gravitacionais que observamos hoje”, disse o professor Bence Kocsis, co-autor do artigo de pesquisa.
“Se uma fração considerável dos eventos observados, seja hoje ou no futuro, for causada por esse fenômeno, deveríamos ser capazes de ver uma associação direta entre quasares e fontes de ondas gravitacionais no céu”, acrescenta o professor Zoltán Haiman da Universidade de Columbia, outro co-autor do artigo de pesquisa.
FONTE:
https://ras.ac.uk/news-and-press/news/quasar-discs-could-host-black-hole-collision-events
