Astrônomos identificaram evidência direta de dois buracos negros supermassivos que orbitam um ao outro no núcleo da galáxia Markarian 501. A galáxia fica a cerca de 480 milhões de anos-luz da Terra. A descoberta veio de uma análise detalhada de dados de rádio coletados ao longo de mais de uma década. O sinal principal é a presença de um segundo jato de partículas relativísticas ao lado do jato já conhecido. A equipe internacional publicou os resultados em estudo aceito pelo periódico Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
O trabalho foi liderado por pesquisadores do Instituto Max Planck de Radioastronomia, na Alemanha. Eles reprocessaram 83 conjuntos de observações feitas com o Very Long Baseline Array entre setembro de 2011 e julho de 2023. As observações ocorreram na frequência de 43 gigahertz. Essa frequência permite resolver estruturas muito próximas ao núcleo galáctico. A comparação com dados de frequências menores, como 15 gigahertz e 8 gigahertz, reforçou os achados.
Detalhes das observações de rádio
Os dados mostram dois jatos distintos saindo do mesmo núcleo. O jato principal, chamado Jet 1, aponta na direção da Terra e já era conhecido. O segundo jato, denominado Jet 2, aparece do lado oposto em algumas imagens e depois se curva no sentido anti-horário ao redor do núcleo. Essa configuração foi observada repetidamente ao longo dos doze anos de monitoramento. Os componentes do Jet 2 mudam de posição em escalas de semanas e meses.
Em uma observação de 24 de junho de 2022, as estruturas do Jet 2 formaram um arco parcial ao redor do núcleo principal. Os pesquisadores interpretam esse arco como um anel de Einstein parcial. Ele seria causado pela lente gravitacional do buraco negro primário atuando sobre a emissão do jato do buraco negro secundário. A resolução angular das imagens chega a décimos de milissegundo de arco. Essa precisão foi essencial para separar as estruturas.
O período orbital estimado para o movimento do Jet 2 ao redor do núcleo é de cerca de 141 dias no referencial da galáxia. A curva de luz do núcleo apresenta uma periodicidade próxima, de aproximadamente 121 dias. Há ainda uma periodicidade de longo prazo de 7,4 anos, associada à precessão do plano orbital do sistema. O deslocamento sistemático entre frequências diferentes aponta para a presença de dois objetos massivos distintos.
- O Jet 2 surge do lado do contra-jato e se curva anti-horário antes de se alinhar paralelamente ao Jet 1.
- Em observações subsequentes, o Jet 2 vira para o sul e se mistura às estruturas do jato principal.
- O sistema completo mostra deriva gradual no sentido horário ao longo dos anos.
- Houve um retrocesso temporário entre 2016 e 2017, chamado de back flip.
- A precessão explica a oscilação do plano orbital como um pião que balança enquanto gira.
- Alternativas como instabilidades de Kelvin-Helmholtz não reproduzem o deslocamento assimétrico entre frequências.
- O modelo do binário surge como a explicação mais consistente para o conjunto de dados.
Características da galáxia Markarian 501
Markarian 501 é um blazar, um subtipo de núcleo galáctico ativo. Nesse tipo de objeto, um dos jatos aponta quase diretamente para a Terra. Esse alinhamento amplifica a emissão observada por efeitos relativísticos de Doppler. A galáxia emite fortemente em rádio, raios X e raios gama de energias na faixa de TeV. Sua proximidade relativa facilita observações de alta resolução em escalas de parsecs.
Desde os anos 1980, astrônomos notavam desalinhamentos na estrutura de rádio da galáxia. As mudanças ocorriam entre escalas pequenas, próximas ao núcleo, e escalas maiores, de quiloparsecs. Modelos anteriores propunham jatos helicoidais confinados em cones estreitos ou precessão simples. Nenhuma explicação anterior dava conta completa das mudanças abruptas observadas. A detecção direta de dois jatos resolve parte desses enigmas acumulados por décadas.
O buraco negro primário tem massa estimada em centenas de milhões de vezes a massa do Sol. O secundário produz o Jet 2 e orbita o primeiro a uma distância que varia entre 251 e 542 unidades astronômicas, dependendo da massa total assumida. Essa separação equivale a dezenas de raios de Schwarzschild. A região inteira do sistema binário cabe em um espaço menor que o diâmetro da órbita de Plutão ao redor do Sol.
Implicações para a evolução de buracos negros supermassivos
Buracos negros supermassivos crescem principalmente por meio de fusões durante colisões de galáxias. Modelos teóricos preveem que, após a fusão das galáxias, os buracos negros centrais formam um par ligado gravitacionalmente. Eles começam a orbitar um ao outro. A detecção em Markarian 501 oferece um caso observacional direto dessa fase intermediária. Até agora, evidências semelhantes dependiam principalmente de inferências indiretas ou modelagens cinemáticas.
O sistema pode emitir ondas gravitacionais com frequência de cerca de 8 vezes 10 à menos 8 hertz. Essa frequência cai dentro da janela de detecção esperada para arrays de temporização de pulsares. O Square Kilometre Array, em construção, pode contribuir para buscas futuras nesse regime de baixa frequência. Observações mais densas com o Very Long Baseline Array ou com o futuro Black Hole Explorer poderiam refinar ainda mais a geometria orbital.
Os pesquisadores calcularam o tempo de coalescência do binário. Se as massas forem comparáveis, o sistema ainda tem bilhões de anos pela frente. Se a razão de massas for muito pequena, como 0,001, o tempo cai para centenas de anos. O modelo mais plausível aponta para massas semelhantes, o que indica um binário duradouro, ainda longe da fusão final. Algumas reportagens mencionam possibilidade de coalescência em cerca de 100 anos, mas os autores do estudo mantêm cautela quanto a essa estimativa.
Análise de alternativas e rigor metodológico
A equipe examinou explicações alternativas para os dados. Instabilidades de Kelvin-Helmholtz podem produzir estruturas helicoidais em jatos. Choques internos ou carregamento não uniforme de massa também foram considerados. Nenhuma dessas hipóteses explica o deslocamento sistemático entre frequências ou o movimento orbital repetitivo do Jet 2. O deslocamento de núcleo por auto-absorção de síncrotron foi descartado, pois ocorre na direção errada.
A análise usou modelagem gaussiana independente para cada uma das 83 épocas. Não houve imposição de hipóteses prévias. O método de perfilamento de verossimilhança permitiu quantificar incertezas nos parâmetros. A comparação com dados independentes de outros programas, como MOJAVE em 15 gigahertz, reforçou a interpretação. Essa validação cruzada aumentou a confiança nos resultados.
O estudo destaca que esta é a primeira detecção por imagem direta de um sistema de jato duplo no núcleo de um blazar. Trabalhos anteriores propunham binários com base em periodicidades ou variações indiretas. O avanço aqui está na observação simultânea de dois jatos coexistindo nas mesmas imagens.
Contexto histórico e perspectivas futuras
Markarian 501 tem sido monitorada em múltiplos comprimentos de onda há décadas. Sua emissão em raios gama de alta energia e a estrutura de rádio tortuosa chamavam atenção. A periodicidade de 7,4 anos na curva de luz de rádio é consistente com variações observadas em outros comprimentos de onda. Isso adiciona coerência ao quadro que emerge.
O fenômeno de limb brightening relatado em observações anteriores pode ser um artefato causado pela sobreposição do Jet 2 ao Jet 1 em imagens de menor qualidade. Quando o segundo jato não era reconhecido, suas estruturas se confundiam com as bordas do jato principal. Essa possibilidade abre caminho para releitura de arquivos históricos de VLBI em outros núcleos ativos.
Futuras observações com cadência mais densa podem capturar passagens rápidas do Jet 2 em configurações específicas. O Black Hole Explorer, com resolução planejada de cerca de 6 microarcossegundos, terá Markarian 501 como alvo prioritário. Mesmo sem resolver diretamente a separação orbital, imagens de alta fidelidade podem revelar detalhes do fluxo de matéria que alimenta cada buraco negro.
Em escala mais ampla, o caso demonstra que núcleos galácticos ativos são ambientes complexos. O modelo simples de um único buraco negro com um par de jatos perpendiculares ao disco de acreção é útil, mas insuficiente em alta resolução. Fusões galácticas são comuns no universo. Por isso, binários de buracos negros supermassivos devem existir em grande número. Reanálises de acervos existentes de dados de interferometria de longa base podem revelar outros casos semelhantes.
A descoberta reforça o valor de programas de monitoramento de longo prazo. Redes de radiotelescópios como o Very Long Baseline Array, que funciona como um instrumento do tamanho de um continente, são essenciais para esses avanços. A análise cuidadosa de dados acumulados ao longo de anos permitiu discernir os dois fios distintos na estrutura que parecia ser um único jato.
O universo continua a revelar camadas adicionais de complexidade. Dois buracos negros giram um ao redor do outro no coração de Markarian 501 há décadas. Cada um lança seu próprio jato de plasma acelerado a velocidades próximas à da luz. Por muito tempo, os instrumentos e as expectativas dos observadores mostravam apenas um jato. Agora, com dados de alta resolução e análise meticulosa, a ciência identifica os dois. Esse achado não é apenas sobre um sistema específico. Ele abre novas perspectivas para entender como os buracos negros mais massivos crescem e como as galáxias evoluem ao longo do tempo cósmico.