Astrónomos poderão ter observado buracos negros em colisão a desencadear uma explosão de luz.

Um breve clarão de luz em raios gama e raios X, registado por telescópios na Terra em novembro de 2024, poderá ter tido uma origem inesperada.

Poucos segundos antes, a partir do mesmo minúsculo recanto do céu, o consórcio LIGO-Virgo-KAGRA tinha detetado o sinal característico de ondas gravitacionais produzido pela colisão de dois buracos negros. Estes acontecimentos estão entre os mais extremos do Universo; ainda assim, em condições normais não se espera que gerem luz detetável.

S241125n: uma colisão de buracos negros com emissão de luz

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 possíveis: a colisão, defendem os investigadores, poderá ter ocorrido no enorme e turbulento disco de poeira e gás que envolve um terceiro buraco negro supermassivo - o núcleo galáctico activo (AGN) da galáxia hospedeira.

Confirmar isto a mais de 4,2 mil milhões de anos-luz não é simples, mas, seja qual for o mecanismo, as deteções combinadas apontam para a possibilidade de que, quando as condições são exatamente as certas, colisões de buracos negros possam ser acompanhadas por um clarão de luz.

"O nosso modelo é preditivo", escrevem os investigadores, "e destacamos a importância de restringir melhor a excentricidade orbital da fusão e de realizar observações de campo profundo da galáxia hospedeira para testar a nossa explicação."

O que as ondas gravitacionais nos dizem sobre as fusões

Desde a primeira observação de ondas gravitacionais, em 2015, o catálogo destas ondulações no espaço-tempo cresceu para centenas. Embora nem todos os sinais detetados tenham sido analisados - ou sequer confirmados -, pensa-se que a maioria resulta de colisões entre dois buracos negros, os objetos mais densos do Universo.

Na maior parte dos casos, estas fusões foram totalmente “escuras”. Os cientistas procuraram contrapartidas luminosas em muitos eventos, mas as evidências sugerem que, quando dois buracos negros mais pequenos se unem para formar um maior, os “fogos de artifício” - caso existam - ocorrem para lá do horizonte de eventos.

Foi aqui que o evento de 25 de novembro de 2024, designado S241125n, se destacou. O sinal propagou-se pelos detetores do LIGO-Virgo-KAGRA espalhados pelo globo, alertando para uma fusão de buracos negros a cerca de 4,2 mil milhões de anos-luz, que terá originado um objeto bastante massivo, com aproximadamente 150 vezes a massa do Sol.

Depois, cerca de 11 segundos mais tarde, vários observatórios de raios X registaram um clarão nessa banda e, em simultâneo, uma rajada de raios gama proveniente da mesma região do céu das ondas gravitacionais. A probabilidade de se tratar de uma coincidência sem relação, calcularam os investigadores, é reduzida: apenas um evento fortuito em 30 anos de observações.

Como a gravidade e a luz viajam à mesma velocidade, a ordem temporal dos registos aponta para que os dois buracos negros tenham primeiro colidido e só depois tenha ocorrido a intensa emissão de luz.

Porque é que isto é estranho: buracos negros, luz e acreção

Os buracos negros não emitem luz detetável - são, aliás, conhecidos precisamente por não o fazerem - e, além disso, tantas fusões acontecem sem qualquer brilho associado que a equipa concluiu que teria de existir um fator adicional.

Há, contudo, um processo em que buracos negros podem tornar-se extremamente luminosos: devorar matéria através da acreção. Quando um buraco negro está rodeado de material, esse material pode formar um disco que, ao girar, aquece intensamente devido à gravidade e ao atrito - como água a rodopiar em direção a um ralo.

Esse disco é uma fonte de luz. Outra possível origem são os jatos astrofísicos: feixes de material que, segundo os cientistas, é desviado e acelerado ao longo de linhas de campo magnético, mesmo fora do horizonte de eventos, e lançado a velocidades tremendas a partir das regiões polares do buraco negro.

A rajada de raios gama detetada após o S241125n apresentou algumas características algo pouco habituais quando comparada com as rajadas mais típicas, associadas a supernovas de colapso do núcleo ou a fusões de estrelas de neutrões.

Um cenário plausível: fusão dentro de um disco de acreção de um AGN

Zhang e os seus colegas consideraram que um episódio de acreção rápida poderia explicar o fenómeno. Mas, para um buraco negro recém-formado após a fusão entrar num processo desse tipo, a colisão teria de ocorrer num local onde já existisse matéria suficiente disponível para “alimentação”.

Para explorar a hipótese, simularam o que aconteceria se dois buracos negros de massa estelar colidissem dentro do disco de acreção de um buraco negro muito maior - um gigante supermassivo com milhões a milhares de milhões de vezes a massa do Sol - que, por sua vez, está a acrecionar ativamente material no centro de uma galáxia.

Quando dois buracos negros com massas diferentes colidem, a distribuição desigual de massa durante a fusão pode conferir ao objeto resultante um “pontapé natal”, projetando-o com velocidade.

De acordo com as simulações da equipa, um pontapé natal dentro de um disco de acreção de um AGN faria com que o buraco negro recém-formado atravessasse a poeira e o gás densos, desencadeando acreção e originando jatos capazes de produzir sinais com semelhanças às características observadas na rajada de raios gama.

Este quadro é organizado e plausível: os centros das galáxias são locais muito ativos, repletos de interações e de objetos diversos, incluindo buracos negros mais pequenos e binários de buracos negros a migrar em direção ao centro.

Ainda são necessárias evidências adicionais para confirmar a hipótese da equipa, mas o cenário proposto oferece uma via interessante para compreender melhor os centros galácticos e as colisões de buracos negros que poderão estar a ocorrer no seu interior.

"Estudos futuros do S241125n e de eventos semelhantes poderão fornecer perspetivas mais profundas sobre a física fundamental das fusões de buracos negros e o seu papel na paisagem cósmica mais ampla", escrevem os investigadores, "potencialmente revelando novas ligações entre ondas gravitacionais, sinais eletromagnéticos e os ambientes hospedeiros destes fenómenos extraordinários."

A investigação foi publicada na The Astrophysical Journal Letters.