Buracos negros supermassivos residem nos centros de quase todas as grandes galáxias, inclinando as balanças cósmicas em milhões ou até bilhões de vezes a massa do Sol. Como eles ficam tão grandes continua sendo um mistério obstinado: acumular gás de seus arredores é uma rota, mas aparentemente é lento demais para explicar os maiores exemplos. Fundir-se com outros buracos negros massivos é o principal candidato para a explicação que falta.

Colisões de galáxias são comuns em todo o universo, então seus buracos negros centrais deveriam eventualmente se juntar também. À medida que duas galáxias se fundem, espera-se que seus buracos negros se aproximem, comecem a orbitar um ao outro e espiralem gradualmente para dentro até se combinarem. Modelar esses estágios finais, no entanto, continua sendo uma dor de cabeça, e os astrônomos nunca identificaram de forma confiável um par de buracos negros supermassivos orbitando extremamente próximos - apesar da abundante evidência de galáxias em colisão.

Agora, uma equipe internacional de pesquisa liderada por Silke Britzen, do Instituto Max Planck de Radioastronomia (MPIfR) em Bonn, descobriu evidência observacional direta sugerindo exatamente esse par no centro da galáxia Mrk 501. As descobertas foram aceitas para publicação no Monthly Notices of the Royal Astronomical Society e estão programadas para uma edição futura.

Os astrônomos há muito sabem que o buraco negro central de Mrk 501 dispara um jato intenso de partículas no espaço a quase a velocidade da luz, alimentado pelas condições extremas e pelos poderosos campos magnéticos ao redor do buraco negro. Para investigar o sistema, os pesquisadores examinaram observações detalhadas em rádio em múltiplas frequências, coletadas em dezenas de dias separados ao longo de aproximadamente 23 anos. O extenso conjunto de dados revelou algo notável: ao lado do jato familiar havia um segundo jato cujo movimento também podia ser rastreado.

As observações fornecem o que os pesquisadores chamam de primeira evidência de imagem direta de tal sistema no centro de uma galáxia, sugerindo fortemente que um segundo buraco negro supermassivo está presente. Os dois buracos negros em si permanecem muito próximos no céu para serem resolvidos individualmente.

"Procuramos por isso por tanto tempo, e então veio como uma surpresa completa que pudéssemos não apenas ver um segundo jato, mas até rastrear seu movimento", relata Britzen.

Dois Buracos Negros Supermassivos em uma Dança Cósmica

O jato previamente conhecido está apontado para a Terra, fazendo-o parecer excepcionalmente brilhante e relativamente fácil de observar. O jato recém-identificado aponta em uma direção diferente, o que ajuda a explicar por que ficou escondido por tanto tempo.

Em apenas algumas semanas de observações, os astrônomos notaram mudanças dramáticas na posição do segundo jato. Ele parecia emergir de trás do buraco negro maior e varrer no sentido anti-horário ao redor dele. O movimento se repetiu, sugerindo que todo o sistema estava passando por um movimento orbital regular.

"Avaliar os dados foi como estar em um navio. Todo o sistema de jatos está em movimento. Um sistema de dois buracos negros pode explicar isso: o plano orbital oscila", explica Britzen.

Os pesquisadores também identificaram um evento incomum em junho de 2022, quando a radiação do sistema pareceu formar um anel. Esse fenômeno, conhecido como anel de Einstein, ocorre quando a gravidade curva a luz de uma maneira que cria uma aparência de anel. Uma explicação possível: os dois buracos negros e a Terra estavam brevemente alinhados da maneira certa, com a gravidade do buraco negro em primeiro plano agindo como uma lente, curvando a luz do segundo jato atrás dele. Esse efeito, chamado lente gravitacional, oferece outra pista potencial para a natureza do sistema.

Dois Buracos Negros Podem se Fundir em Apenas 100 Anos

Ao examinar mudanças nos jatos e padrões repetidos em seu brilho, a equipe calculou que os dois buracos negros parecem completar uma órbita um ao redor do outro aproximadamente a cada 121 dias. Sua separação estimada é de apenas 250 a 540 vezes a distância entre a Terra e o Sol - o que parece enorme, até você lembrar que esses objetos carregam massas variando de 100 mil