Um clarão curto, mas intenso, de raios gama e raios X que iluminou vários telescópios na Terra em novembro de 2024 pode ter tido uma origem inesperada.
Segundos antes desse brilho, exatamente na mesma pequena região do céu, a rede LIGO-Virgo-KAGRA tinha registado o sinal característico de ondas gravitacionais produzido pela colisão de dois buracos negros. Estes eventos estão entre os mais extremos do Universo; ainda assim, em condições normais, não se espera que gerem luz detetável.
S241125n: colisão de buracos negros e um clarão de luz improvável
O acontecimento de 25 de novembro de 2024 - identificado como S241125n - distinguiu-se de quase tudo o que se tem visto até agora. O sinal propagou-se pelos detetores do LIGO-Virgo-KAGRA distribuídos pelo planeta e apontou para uma fusão de buracos negros a cerca de 4,2 mil milhões de anos-luz, dando origem a um objeto bastante massivo, com aproximadamente 150 massas solares.
Cerca de 11 segundos depois, vários observatórios de raios X registaram um lampejo, acompanhado por um surto de raios gama, proveniente do mesmo setor do céu associado às ondas gravitacionais. De acordo com cálculos apresentados pelos investigadores, a probabilidade de se tratar de uma coincidência sem relação física é reduzida: seria o equivalente a um acaso em 30 anos de observações.
Como a gravidade e a luz se propagam à mesma velocidade, a ordem temporal sugere um cenário simples: primeiro ocorreu a fusão dos dois buracos negros; depois surgiu o brilho eletromagnético.
Porque é que fusões de buracos negros costumam ser “escuras”
Desde a primeira deteção de ondas gravitacionais, em 2015, o catálogo destes “ecos” no espaço-tempo cresceu para centenas de eventos. Embora nem todos os sinais tenham sido totalmente analisados ou confirmados, a maioria é atribuída a colisões entre buracos negros, os objetos mais densos conhecidos.
Na esmagadora maioria dos casos, estas fusões são completamente “escuras”. A comunidade científica tem procurado contrapartidas em luz para muitos destes sinais, mas as evidências indicam que, quando dois buracos negros de menor massa se unem para formar um maior, qualquer libertação de energia luminosa - se existir - acontece para lá do horizonte de eventos, invisível do exterior.
Dito de outra forma: buracos negros não emitem luz detetável por si mesmos, e precisamente por isso uma combinação de ondas gravitacionais com um clarão de raios X e raios gama exige um ingrediente adicional no ambiente do evento.
A hipótese do disco de acreção: um núcleo galáctico ativo (AGN) como palco
Uma equipa liderada pelo astrónomo Shu-Rui Zhang, da Universidade de Ciência e Tecnologia da China, associou esta deteção extraordinária a um conjunto ainda mais invulgar de circunstâncias. A proposta é que a fusão possa ter ocorrido no interior do enorme e turbulento disco de poeira e gás que rodeia um terceiro buraco negro - um buraco negro supermassivo no centro da galáxia hospedeira, isto é, o seu núcleo galáctico ativo (AGN).
Confirmar detalhes a mais de 4,2 mil milhões de anos-luz é difícil, mas a leitura conjunta dos dados aponta para um princípio relevante: quando as condições ambientais são as certas, a colisão de buracos negros pode ser acompanhada por um clarão luminoso.
Os autores sublinham que o modelo é preditivo e defendem a importância de refinar, em particular, as restrições sobre a excentricidade orbital antes da fusão, bem como de realizar observações de campo profundo da galáxia hospedeira para testar a explicação.
Como a acreção pode produzir luz: disco e jatos astrofísicos
Há, porém, uma forma conhecida de um buraco negro “brilhar” intensamente: ao devorar matéria através de um processo chamado acreção. Quando existe material suficiente nas proximidades, esse material pode formar um disco de acreção que aquece de forma extrema devido à gravidade e ao atrito, à medida que gira e espirala para o interior - de forma análoga à água que roda em torno de um ralo.
Esse disco pode emitir muita radiação. Além disso, pode haver uma segunda fonte poderosa: jatos astrofísicos, formados por matéria que, segundo se pensa, é desviada e acelerada ao longo de linhas de campo magnético imediatamente fora do horizonte de eventos, sendo expelida a partir das regiões polares a velocidades enormes.
No caso de S241125n, o surto de raios gama observado apresentou características algo fora do padrão, quando comparado com os surtos mais típicos associados a supernovas de colapso do núcleo ou a fusões de estrelas de neutrões.
Simulações: dois buracos negros no disco de um buraco negro supermassivo
Zhang e colaboradores consideraram que um episódio de acreção rápida poderia explicar o comportamento observado. O problema é que, para um buraco negro recém-formado por fusão entrar subitamente numa fase de alimentação intensa, a colisão teria de ocorrer num local já rico em matéria disponível.
Assim, a equipa simulou um cenário em que dois buracos negros de massa estelar colidem dentro do disco de acreção de um buraco negro muito maior: um buraco negro supermassivo, com milhões a milhares de milhões de vezes a massa do Sol, que está a acrecionar ativamente no coração de uma galáxia (um AGN).
Quando dois buracos negros com massas desiguais se fundem, a distribuição assimétrica de massa e momento pode conferir ao objeto resultante um impulso natal, projetando-o para longe do local da fusão.
De acordo com as simulações, um impulso natal dentro de um disco de AGN empurraria o buraco negro recém-formado através do gás e da poeira densos. Esse “arado” no meio circundante desencadearia acreção, favorecendo também o lançamento de jatos astrofísicos com propriedades compatíveis com as observadas no surto de raios gama.
A proposta é, além disso, plausível do ponto de vista astrofísico: os centros das galáxias são regiões extremamente agitadas, povoadas por todo o tipo de objetos compactos, incluindo buracos negros mais pequenos e binários de buracos negros que podem migrar e cair em direção ao centro.
O que falta confirmar e o que esta ligação pode revelar
É necessária evidência adicional para validar a hipótese, mas o cenário abre uma via interessante para compreender tanto os centros galácticos como as fusões de buracos negros que podem ocorrer nesses ambientes. Se eventos como S241125n forem mesmo fusões dentro de discos de AGN, a astronomia de “mensageiros múltiplos” ganha um novo terreno: não apenas a deteção simultânea de ondas gravitacionais e luz, mas também a possibilidade de usar a luz para inferir as condições do meio onde a fusão aconteceu.
Um passo natural será procurar assinaturas persistentes no local: por exemplo, alterações na emissão do AGN após o evento, ou indícios de perturbação no disco de acreção. Observações prolongadas em raios X, rádio e infravermelho poderão ajudar a distinguir entre um brilho transitório gerado por acreção local e outros mecanismos alternativos.
Também será crucial aumentar o número de casos: com mais deteções de LIGO-Virgo-KAGRA e campanhas rápidas de seguimento, será possível perceber se S241125n é uma raridade absoluta ou apenas o primeiro exemplo claro de uma população de fusões de buracos negros em ambientes ricos em gás.
Os investigadores defendem que estudos futuros de S241125n e de eventos semelhantes poderão oferecer pistas mais profundas sobre a física fundamental das fusões de buracos negros e o seu papel no panorama cósmico, potencialmente revelando novas ligações entre ondas gravitacionais, sinais eletromagnéticos e os ambientes hospedeiros destes fenómenos extraordinários.
A investigação foi publicada nas Cartas do Jornal Astrofísico.
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