Dimensionando as “sombras” de dois buracos negros supermassivos em processo de colisão

Nesta simulação de uma fusão de buracos negros supermassivos, o buraco negro deslocado para o azul mais próximo do observador amplifica o buraco negro deslocado para o vermelho nas costas através de lentes gravitacionais. Os pesquisadores descobriram uma queda distinta no brilho quando o buraco negro mais próximo passou na frente da sombra de sua contraparte, uma observação que poderia ser usada para medir o tamanho de ambos os buracos negros e testar teorias alternativas da gravidade. Crédito: Jordy Davelaar

Em um par de buracos negros supermassivos em fusão, um novo método para medir o vazio

Os cientistas descobriram uma maneira de dimensionar as ‘sombras’ de dois buracos negros supermassivos em processo de colisão, dando aos astrônomos uma ferramenta potencialmente nova para medir buracos negros em galáxias distantes e testar teorias alternativas da gravidade.

Três anos atrás, o mundo ficou chocado com a primeira imagem de um buraco negro. Um poço negro de nada cercado por um anel de luz ardente. Aquela imagem icônica do[{” attribute=””>black hole at the center of galaxy Messier 87 came into focus thanks to the Event Horizon Telescope (EHT), a global network of synchronized radio dishes acting as one giant telescope.

Now, a pair of Columbia researchers have devised a potentially easier way of gazing into the abyss. Outlined in complementary research studies in Physical Review Letters and Physical Review D, their imaging technique could allow astronomers to study black holes smaller than M87’s, a monster with a mass of 6.5 billion suns, harbored in galaxies more distant than M87, which at 55 million light-years away, is still relatively close to our own Milky Way.

Uma simulação de lentes gravitacionais em um par de buracos negros supermassivos em fusão. Crédito: Jordy Devalaar

A técnica tem apenas dois requisitos. Primeiro, você precisa de um par de buracos negros supermassivos em processo de fusão. Em segundo lugar, você precisa olhar para o par em um ângulo quase lateral. Deste ponto de vista lateral, quando um buraco negro passa na frente do outro, você deve ser capaz de ver um flash de luz brilhante enquanto o anel brilhante do buraco negro mais distante é ampliado pelo buraco negro mais próximo de você, um fenômeno que é conhecido como lente gravitacional.

O efeito de lente é bem conhecido, mas o que os pesquisadores descobriram aqui foi um sinal oculto: uma queda distinta no brilho correspondente à “sombra” do buraco negro na parte de trás. Esse escurecimento sutil pode durar de algumas horas a alguns dias, dependendo da massa dos buracos negros e da proximidade de suas órbitas. Se você medir quanto tempo dura o mergulho, dizem os pesquisadores, você pode estimar o tamanho e a forma da sombra projetada pelo horizonte de eventos do buraco negro, o ponto sem saída, onde nada escapa, nem mesmo a luz.

Nesta simulação de um par de buracos negros supermassivos em fusão, o buraco negro mais próximo do observador está se aproximando e, portanto, aparece azul (quadro 1), amplificando o buraco negro desviado para o vermelho nas costas através de lentes gravitacionais. À medida que o buraco negro mais próximo amplifica a luz do buraco negro mais distante (quadro 2), o observador vê um flash de luz brilhante. Mas quando o buraco negro mais próximo passa na frente do abismo, ou sombra, do buraco negro mais distante, o observador vê uma ligeira queda no brilho (quadro 3). Essa queda de brilho (3) aparece claramente nos dados da curva de luz abaixo das imagens. Crédito: Jordy Devalaar

“Levou anos e um esforço maciço de dezenas de cientistas para fazer essa imagem de alta resolução dos buracos negros M87”, disse o primeiro autor do estudo, Jordy Davelaar, pós-doutorado em Columbia e no Centro de Astrofísica Computacional do Instituto Flatiron. “Essa abordagem funciona apenas para os maiores e mais próximos buracos negros – o par no coração de M87 e potencialmente nossa própria Via Láctea.”

Ele acrescentou: “com nossa técnica, você mede o brilho dos buracos negros ao longo do tempo, não precisa resolver cada objeto espacialmente. Deve ser possível encontrar este sinal em muitas galáxias.”

A sombra de um buraco negro é sua característica mais misteriosa e informativa. “Essa mancha escura nos diz sobre o tamanho do buraco negro, a forma do espaço-tempo ao seu redor e como a matéria cai no buraco negro perto de seu horizonte”, disse o coautor Zoltan Haiman, professor de física em Columbia.

Observando uma fusão supermassiva de buracos negros de lado, o buraco negro mais próximo do observador amplia o buraco negro mais distante através do efeito de lente gravitacional. Os pesquisadores descobriram uma breve queda no brilho correspondente à ‘sombra’ do buraco negro mais distante, permitindo ao observador medir seu tamanho. Crédito: Nicoletta Baroloini

As sombras dos buracos negros também podem conter o segredo da verdadeira natureza da gravidade, uma das forças fundamentais do nosso universo. A teoria da gravidade de Einstein, conhecida como relatividade geral, prevê o tamanho dos buracos negros. Os físicos, portanto, os procuraram para testar teorias alternativas da gravidade em um esforço para reconciliar duas ideias concorrentes de como a natureza funciona: a relatividade geral de Einstein, que explica fenômenos de grande escala como planetas em órbita e o universo em expansão, e a física quântica, que explica como partículas minúsculas como elétrons e fótons podem ocupar vários estados ao mesmo tempo.

Os pesquisadores ficaram interessados ​​em queimar buracos negros supermassivos após manchando um par suspeito de buracos negros supermassivos no centro de uma galáxia distante no início do universo.[{” attribute=””>NASA’s planet-hunting Kepler space telescope was scanning for the tiny dips in brightness corresponding to a planet passing in front of its host star. Instead, Kepler ended up detecting the flares of what Haiman and his colleagues claim are a pair of merging black holes.

They named the distant galaxy “Spikey” for the spikes in brightness triggered by its suspected black holes magnifying each other on each full rotation via the lensing effect. To learn more about the flare, Haiman built a model with his postdoc, Davelaar.

They were confused, however, when their simulated pair of black holes produced an unexpected, but periodic, dip in brightness each time one orbited in front of the other. At first, they thought it was a coding mistake. But further checking led them to trust the signal.

As they looked for a physical mechanism to explain it, they realized that each dip in brightness closely matched the time it took for the black hole closest to the viewer to pass in front of the shadow of the black hole in the back.

The researchers are currently looking for other telescope data to try and confirm the dip they saw in the Kepler data to verify that Spikey is, in fact, harboring a pair of merging black holes. If it all checks out, the technique could be applied to a handful of other suspected pairs of merging supermassive black holes among the 150 or so that have been spotted so far and are awaiting confirmation.

As more powerful telescopes come online in the coming years, other opportunities may arise. The Vera Rubin Observatory, set to open this year, has its sights on more than 100 million supermassive black holes. Further black hole scouting will be possible when NASA’s gravitational wave detector, LISA, is launched into space in 2030.

“Even if only a tiny fraction of these black hole binaries has the right conditions to measure our proposed effect, we could find many of these black hole dips,” Davelaar said.

References:

“Self-Lensing Flares from Black Hole Binaries: Observing Black Hole Shadows via Light Curve Tomography” by Jordy Davelaar and Zoltán Haiman, 9 May 2022, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.191101

“Self-lensing flares from black hole binaries: General-relativistic ray tracing of black hole binaries” by Jordy Davelaar and Zoltán Haiman, 9 May 2022, Physical Review D.
DOI: 10.1103/PhysRevD.105.103010