Luz distorcida das estrelas pode revelar buracos negros binários

Astrônomos podem estar perto de identificar pares de buracos negros supermassivos que giram um em torno do outro antes de uma colisão final. Embora esses objetos não emitam luz, eles podem ter sua presença revelada ao distorcer e amplificar o brilho de estrelas posicionadas atrás deles. Esse mecanismo foi descrito em estudo publicado na revista Physical Review Letters.

Buracos negros supermassivos estão no centro de quase todas as grandes galáxias, com massas que variam de milhões a bilhões de vezes a do Sol. O núcleo da Via Láctea, por exemplo, abriga o Sagitário A*. Normalmente, há apenas um desses gigantes dominando a região central.

Em resumo:

• Pares de buracos negros supermassivos podem distorcer e amplificar luz das estrelas;
• Sistema binário cria curva cáustica móvel e intensa;
• Estrelas cruzando essa região produzem clarões periódicos;
• Padrão luminoso revela massa e órbita da dupla.

Quando galáxias colidem e se unem, seus buracos negros também passam a interagir gravitacionalmente. Com o tempo, aproximam-se, entram em órbita mútua e formam um sistema binário. Milhões de anos depois, acabam se fundindo, liberando energia em forma de ondas gravitacionais – ondulações no próprio tecido do espaço-tempo.

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Detectar pares próximos de buracos negros é um grande desafio

Até agora, os poucos sistemas binários conhecidos ainda estão muito separados, a centenas ou milhares de anos-luz de distância entre si. Detectar pares mais próximos, já em estágio avançado de espiral, é um desafio técnico. Missões futuras pretendem resolver parte desse problema por meio da detecção direta de ondas gravitacionais.

A Agência Espacial Europeia (ESA), por exemplo, planeja lançar a Antena Espacial Interferométrica a Laser (LISA), um observatório espacial capaz de captar ondas gravitacionais de baixa frequência. Na China, cientistas propuseram a missão TianQin, com objetivo semelhante. Esses projetos devem entrar em operação na próxima década.

Enquanto esses detectores não ficam prontos, uma equipe da Universidade de Oxford, na Inglaterra, e do Instituto Max Planck de Física Gravitacional, na Alemanha, propôs outra estratégia. O grupo demonstrou que sistemas binários podem ser identificados por meio do efeito de lente gravitacional que produzem.

A lente gravitacional acontece quando um objeto muito massivo curva o espaço-tempo ao seu redor. A luz de uma estrela distante, ao atravessar essa região deformada, tem sua trajetória alterada. Para o observador, a estrela pode parecer mais brilhante, distorcida ou até multiplicada em imagens.

Se houver apenas um buraco negro, o alinhamento com a estrela de fundo precisa ser quase perfeito para que o efeito seja detectado. Em um sistema com dois buracos negros orbitando entre si, porém, a situação se torna mais favorável. As chances de amplificação aumentam de forma significativa.

O par funciona como um conjunto de lentes em rotação. À medida que orbitam um centro de massa comum, criam uma região especial chamada curva cáustica – onde o efeito de amplificação é máximo. Essa área tem formato semelhante a um diamante e se desloca conforme o sistema gira.

Quando uma estrela distante cruza essa região, sua luz pode ser intensificada de maneira temporária e repetida. Para os astrônomos, isso apareceria como clarões periódicos, com intervalos que acompanham o período orbital do par de buracos negros. Fora desse alinhamento, a estrela pode ser praticamente invisível.

Esses sinais luminosos funcionariam como uma “impressão digital” de um sistema binário supermassivo. Mesmo sem enxergar diretamente os buracos negros, seria possível inferir sua presença e suas características a partir do padrão de brilho observado.

Ondas gravitacionais aceleram a espiral rumo à fusão

Com o passar do tempo, os dois objetos perdem energia orbital ao emitir ondas gravitacionais. Esse processo faz com que se aproximem gradualmente e passem a girar cada vez mais rápido. Embora a fusão completa leve milhões de anos, mudanças sutis já podem alterar o formato e o comportamento da curva cáustica.

Essas alterações influenciam tanto a frequência quanto a intensidade dos clarões observados. Em teoria, informações sobre a massa dos buracos negros também podem estar registradas nesses padrões de variação luminosa. O problema é que essas transformações ocorrem em escalas de tempo muito longas.

Na prática, os pesquisadores obtêm apenas um retrato momentâneo de cada sistema. Ao reunir observações de vários pares em diferentes estágios de evolução, será possível montar um quadro mais amplo do processo que antecede a fusão final.

Novos levantamentos do céu devem ampliar essas possibilidades. O Observatório Vera C. Rubin, no Chile, e o Telescópio Espacial Nancy Grace Roman, com lançamento previsto para 2027, terão sensibilidade para detectar numerosos eventos de lente gravitacional em galáxias distantes.

No futuro, a combinação dessas observações de luz com os sinais captados pelo LISA permitirá estudos chamados de “multimensageiros”, que utilizam tanto ondas eletromagnéticas quanto gravitacionais. Isso deve abrir uma nova etapa na investigação dos buracos negros supermassivos que caminham, lentamente, para uma fusão inevitável no Universo.

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