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Astrônomos revelam crescimento de buracos negros em colisões galácticas


Estas imagens revelam o estágio final de uma união entre um par de núcleos galácticos nos núcleos confusos de galáxias em colisão. A imagem da esquerda, obtida pelo instrumento WFC3 (Wide Field Camera 3) do Hubble, mostra a galáxia em fusão NGC 6240. Uma ampliação dos dois núcleos brilhantes desta união galáctica pode ser visto à direita. Esta visão, obtida no infravermelho, atravessa a nuvem densa de poeira e gás que rodeia as duas galáxias em colisão e revela os núcleos ativos. Os buracos negros gigantes nestes núcleos estão a crescer rapidamente à medida que devoram gás empurrado pela fusão. O rápido crescimento dos buracos negros ocorre durante os últimos 10 a 20 milhões de anos da fusão.
Crédito: NASA, ESA e M. Koss (Eureka Scientific, Inc.)

Espreitando através de paredes espessas de gás e poeira que rodeiam os núcleos desordenados de galáxias em fusão, os astrônomos estão a obter a sua melhor visão, até à data, de pares íntimos de buracos negros supermassivos enquanto marcham em direção à coalescência em mega buracos negros.

Uma equipe de investigadores liderada por Michael Koss da Eureka Scientific Inc. em Kirkland, Washington, realizou o maior levantamento dos núcleos de galáxias próximas no infravermelho, usando imagens de alta-resolução obtidas pelo Telescópio Espacial Hubble da NASA e pelo Observatório W. M. Keck no Hawaii. As observações do Hubble representam mais de 20 anos de instantâneos do seu vasto arquivo.

"Ver os pares de núcleos de galáxias em fusão associados com estes buracos negros gigantescos tão próximos foi bastante surpreendente," afirma Koss. "No nosso estudo, vemos dois núcleos galácticos quando as imagens foram tiradas. Não podemos argumentar contra; é um resultado muito 'limpo', que não depende da interpretação."

As imagens também fornecem uma visualização detalhada de um fenômeno que deve ter sido mais comum no início do Universo, quando as fusões de galáxias eram mais frequentes. Quando as galáxias colidem, os seus buracos negros monstruosos podem libertar grandes quantidades de energia na forma de ondas gravitacionais, o tipo de ondulação no espaço-tempo que só recentemente foi detectada por experiências inovadoras."

O novo estudo também fornece uma antevisão do que provavelmente acontecerá no nosso próprio "quintal" cósmico, daqui a vários milhares de milhões de anos, quando a nossa Via Láctea se combinar com a vizinha Galáxia de Andrômeda e os seus respetivos buracos negros centrais se fundirem.

"As simulações computacionais de colisões galácticas mostram que os buracos negros crescem mais rapidamente durante os estágios finais de fusões, perto do momento em que os buracos negros interagem, e é isso que encontramos no nosso levantamento," comenta Laura Blecha, da equipe de investigação e da Universidade da Flórida em Gainesville. "O fato de que os buracos negros crescem cada vez mais depressa à medida que as fusões avançam diz-nos que os encontros galácticos são realmente importantes para a nossa compreensão de como esses objetos se tornaram monstruosamente grandes."

Uma fusão galáctica é um processo lento que dura mais de 1 bilhão de anos, quando duas galáxias, sob o impulso inexorável da gravidade, dançam uma na direção da outra antes de finalmente se unirem. As simulações revelam que as galáxias levantam muito gás e muita poeira enquanto se submetem a esta colisão em câmara lenta.

O material ejetado forma muitas vezes uma cortina espessa em redor dos centros das galáxias coalescentes, protegendo-os da observação no visível. Parte desse material também cai nos buracos negros situados nos núcleos das galáxias em fusão. Os buracos negros crescem rapidamente enquanto devoram o seu alimento cósmico e, sendo vorazes comedores, fazem com que o gás em queda brilhe intensamente. Este rápido crescimento ocorre durante os últimos 10 a 20 milhões de anos antes da união. As imagens do Hubble e do Keck captaram visões detalhadas deste estágio final, quando os buracos negros inchados estão separados por apenas 3000 anos-luz - praticamente um abraço em termos cósmicos.

Não é fácil encontrar núcleos galácticos tão próximos um do outro. A maioria das observações prévias de galáxias em colisão capturaram os buracos negros coalescentes em estágios iniciais, quando estavam aproximadamente 10 vezes mais longe um do outro. O estágio final do processo de fusão é muito elusivo porque as galáxias estão envoltas em poeira e gás e requer observações de alta-resolução no infravermelho, comprimento de onda este que consegue atravessar as nuvens e identificar as posições dos dois núcleos em fusão.

A equipe procurou em primeiro lugar buracos negros ativos e visualmente obscurecidos examinando 10 anos de dados de raios-X do BAT (Burst Alert Telescope) acoplado ao Telescópio Neil Gehrels Swift da NASA, um observatório espacial de alta energia. "O gás que cai nos buracos negros emite raios-X e o seu brilho indica-nos a rapidez a que o buraco negro cresce," explicou Koss. "Eu não sabia se íamos encontrar fusões escondidas, mas nós suspeitávamos, com base em simulações de computador, que estariam em galáxias densamente encobertas. Por isso, tentamos espiar através da poeira com as imagens mais nítidas possíveis, na esperança de encontrar buracos negros coalescentes."

Os investigadores vasculharam o arquivo do Hubble, identificando aquelas fusões galácticas que avistaram nos dados de raios-X. Usaram então a visão super nítida e no infravermelho próximo do Observatório Keck para observar uma amostra maior de buracos negros produtores de raios-X não encontrados no arquivo do Hubble.

"Já tinham sido realizados estudos para procurar estes buracos negros em íntima interação, mas o que realmente possibilitou este estudo em particular foram os raios-X que podem romper o casulo de poeira," afirma Koss. "Nós também observamos um pouco mais longe no Universo, para que pudéssemos examinar um volume maior de espaço, dando-nos uma maior probabilidade de encontrar buracos negros mais luminosos e de rápido crescimento."

A equipa teve como alvo galáxias a uma distância média de 330 milhões de anos-luz da Terra. Muitas das galáxias são semelhantes em tamanho à Via Láctea e à Galáxia de Andrômeda. A equipe analisou 96 galáxias do Observatório Keck e 385 galáxias do arquivo do Hubble encontradas em 38 diferentes programas de observação deste telescópio espacial. As galáxias da amostra são representativas do que os astrônomos encontrariam ao realizar uma pesquisa em todo o céu.

Para verificar os seus resultados, a equipe de Koss comparou as galáxias do levantamento com outras 176 galáxias do arquivo do Hubble que não possuem buracos negros com crescimento ativo. A comparação confirmou que os núcleos luminosos do censo dos investigadores de galáxias poeirentas em interação são, de facto, uma assinatura de pares de buracos negros em rápido crescimento que se dirigem para uma colisão.

Quando os dois buracos negros supermassivos em cada um destes sistemas finalmente se juntarem, daqui a milhões de anos, os seus encontros produzirão fortes ondas gravitacionais. As ondas gravitacionais produzidas pela colisão entre dois buracos negros de massa estelar já foram detectadas pelo LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Observatórios como o planeado LISA (Laser Interferometer Space Antenna) da NASA/ESA serão capazes de detectar as ondas gravitacionais de baixa frequência de fusões de buracos negros supermassivos, que são um milhão de vezes mais massivos do que aqueles detectados pelo LIGO.

Futuros telescópios infravermelhos, como o planeado James Webb da NASA e uma nova geração de telescópios terrestres gigantes, fornecerão uma análise ainda melhor das colisões de galáxias empoeiradas, medindo as massas, a taxa de crescimento e a dinâmica de pares de buracos negros íntimos. O telescópio Webb poderá também ser capaz de observar no infravermelho médio para descobrir mais interações galácticas tão encapsuladas em gás e poeira espessa que até mesmo o infravermelho próximo não pode penetrar.

Os resultados da equipe foram publicados na edição online de 7 de novembro da revista Nature.


Imagens de outras quatro galáxias em colisão, juntamente com ampliações dos seus brilhantes núcleos coalescentes, vistas por baixo de instantâneos do Hubble de NGC 6240. A imagem da esquerda de cada par, mostrando as galáxias em fusão, foi obtida pelo Pan-STARRS (Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System). A imagem da direita, que mostra os núcleos brilhantes, foi obtida no infravermelho próximo pelo Observatório W. M. Keck no Hawaii, usando óticas adaptativas para melhorar a nitidez. Os núcleos de cada imagem do Hubble e do Keck estão separados por mais ou menos 3000 anos-luz - praticamente um abraço em termos cósmicos. A existirem pares de buracos negros, estes vão provavelmente fundir-se ao longo dos próximos 10 milhões de anos para formar um buraco negro ainda mais massivo. Estas observações fazem parte do maior levantamento dos núcleos de galáxias vizinhas usando imagens de alta-resolução no infravermelho próximo obtidas pelo Telescópio Espacial Hubble e pelo Observatório Keck. A distância média das galáxias estudadas ronda os 330 milhões de anos-luz.
Crédito: NASA, ESA e M. Koss (Eureka Scientific, Inc.); Observatório W. M. Keck; Pan-STARRS

FONTE: ASTRONOMIA ONLINE

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