Os astrônomos descobriram um sistema binário suspeito composto por dois buracos negros supermassivos no centro da galáxia ativa Markarian 501 (abreviadamente Mrk 501). A investigação relevante foi liderada pelo Instituto Max Planck de Radioastronomia na Alemanha e foi aceite pelos Avisos Mensais da Royal Astronomical Society.

Observações de rádio de alta resolução de longo prazo mostram que não existe apenas um poderoso jato de partículas conhecido há muito tempo no núcleo da galáxia (um jato refere-se a um fluxo de partículas de alta energia ejetadas quase à velocidade da luz), mas também um segundo jato escondido, fornecendo evidência direta de um par de buracos negros supermassivos orbitando extremamente próximos um do outro.

A investigação actual mostra que quase todas as grandes galáxias residem no centro de um buraco negro supermassivo com uma massa de milhões a milhares de milhões de vezes a do Sol. No entanto, é difícil crescer até tal “tamanho” dentro da idade do universo simplesmente através da acreção do gás circundante. Portanto, as fusões entre buracos negros são consideradas uma das formas importantes de “engordar”. Não é incomum observar colisões entre galáxias, e também se especula que os buracos negros nos centros dessas galáxias deveriam se aproximar gradualmente sob a influência da gravidade e eventualmente se fundirem. No entanto, os modelos teóricos ainda são imperfeitos na descrição deste “estágio final”, e um sistema de “buraco negro binário próximo” nunca foi confirmado de forma confiável por imagens antes. Esta observação de Mrk 501 fornece uma peça chave do quebra-cabeça para esta imagem astrofísica de longa data.

A equipa de investigação conduziu uma análise sistemática dos dados de observação na região central do Mrk 501 em diferentes frequências de rádio, abrangendo cerca de 23 anos. Os dados vieram de uma rede de radiotelescópios distribuídos pelo mundo, formando uma resolução angular extremamente alta. Os resultados mostraram que além do jato conhecido que apontava para a Terra e era particularmente brilhante, havia também um segundo jato escondido nos dados. Sua direção era obviamente diferente da do primeiro jato e apresentou mudanças significativas de posição em apenas algumas semanas. Com a comparação de dados de várias épocas, os astrônomos não apenas “viram” o segundo jato, mas também rastrearam sua órbita, que foi interpretada como o efeito de projeção de sua órbita em torno de outro buraco negro.

Registros de observação mostram que o segundo jato parece ser emitido por trás do buraco negro conhecido com maior massa e orbita no sentido anti-horário, mostrando mudanças periódicas de deslocamento em observações contínuas, como se todo o sistema de jato estivesse “balançando”. A equipa de investigação explicou este fenómeno como a oscilação do plano orbital do sistema binário de buracos negros: os dois buracos negros orbitam um ao outro, fazendo com que o ângulo entre a direção do jato e a nossa linha de visão mude constantemente. Numa observação em junho de 2022, a radiação do sistema de jato chegou à Terra através de um caminho extremamente “inclinado”. Sob o efeito de curvatura da forte gravidade do conhecido buraco negro em primeiro plano, a luz do jato traseiro foi “puxada” para uma estrutura aproximadamente em forma de anel, o chamado “anel de Einstein”. Isto fornece um forte apoio para a explicação de que “o buraco negro em primeiro plano atua como uma lente gravitacional, e o jato de fundo vem do segundo buraco negro”.

Ao analisar a periodicidade das mudanças de brilho do jato e a evolução da posição, a equipe de pesquisa calculou que leva cerca de 121 dias para os dois buracos negros orbitarem um ao outro. A distância entre eles é estimada em cerca de 250 a 540 vezes a distância entre a Terra e o Sol – esta ainda é uma escala enorme para estrelas comuns, mas para buracos negros supermassivos com massas entre 100 milhões e 1 bilhão de massas solares, essa distância já é bastante “estreita”. Com base na faixa de massa e nos parâmetros orbitais, este sistema binário de buraco negro pode eventualmente se fundir devido à perda de energia orbital devido à radiação gravitacional em apenas cerca de 100 anos. Esta escala de tempo é considerada “iminente” na evolução do universo.

Vale a pena mencionar que, embora os dois buracos negros sejam extremamente grandes, porque Mrk 501 está extremamente longe da Terra, mesmo o Event Horizon Telescope (EHT), que fotografou a estrutura em anel do "horizonte de eventos" do buraco negro, é atualmente incapaz de resolvê-los diretamente em dois corpos celestes independentes. À medida que o raio orbital diminui ainda mais, o “círculo de rotação final” do sistema binário de buracos negros ainda será difícil de ver diretamente nas imagens, mas os cientistas esperam capturar os seus passos finais através de outro “sinal” – radiação de ondas gravitacionais na banda de frequência extremamente baixa. Espera-se que esses sinais sejam detectados através do método de observação "Pulsar Timing Array" (PTA), que "ouve" a onda gravitacional de fundo em grande escala do universo, monitorando com precisão as microperturbações periódicas dos pulsares de milissegundos.

Na verdade, os binários de buracos negros supermassivos já são uma das principais fontes candidatas para explicar o sinal de "fundo de onda gravitacional" relatado por equipes como o European Pulsar Timing Array em 2023. Mrk 501 tornou-se agora um "laboratório-alvo" muito valioso, que se espera que corresponda diretamente a certos sinais de ondas gravitacionais de baixa frequência medidos pelo PTA com sistemas binários específicos de buracos negros, dando ao "fundo" estatístico anterior uma identidade clara de corpos celestes. Os colaboradores da investigação salientaram que se as ondas gravitacionais puderem ser capturadas com sucesso na direção desta fonte no futuro, não só se espera que vejam a sua frequência aumentar gradualmente ao longo do tempo, correspondendo ao processo de espiralização dos buracos negros, mas também poderão obter pela primeira vez registos de evolução próximos do "rastreamento em tempo real" na escala de "fusões de buracos negros supermassivos".

Neste estudo, Silke Britzen, Frédéric Jaron e Nicholas Roy McDonald do Instituto Max Planck de Radioastronomia são assinados como coautores, e os resultados relevantes serão publicados nos Avisos Mensais da Royal Astronomical Society. Este par de estrelas binárias de buracos negros supermassivos no centro de Mrk 501 não só fornece um caso chave para a compreensão de como o buraco negro no centro da Via Láctea cresce, mas também abre um raro "campo de tiro" para a futura astronomia de ondas gravitacionais baseada no tempo do pulsar, permitindo aos humanos testemunhar uma "fusão de buracos negros" em escala cósmica com os nossos próprios olhos nas próximas décadas a centenas de anos.