Os astrônomos fizeram uma descoberta verdadeiramente surpreendente usando o Telescópio Espacial James Webb (JWST): um buraco negro fugitivo 10 milhões de vezes maior que o Sol, viajando pelo espaço a impressionantes 2,2 milhões de milhas por hora (1.000 quilômetros por segundo).
Isso não só torna este o primeiro buraco negro supermassivo em fuga confirmado, mas este objeto também é um dos corpos mais rápidos já detectados, passando rapidamente por sua casa, um par de galáxias chamadas de “Coruja Cósmica“a 3.000 vezes a velocidade do som ao nível do mar aqui na Terra. Se isso não for surpreendente o suficiente, o buraco negro está empurrando para frente um “choque de arco” literal do tamanho de uma galáxia à sua frente, enquanto simultaneamente arrasta uma cauda de 200.000 anos-luz atrás dele, dentro da qual o gás está se acumulando e desencadeando a formação de estrelas.
Buracos negros supermassivosque podem atingir massas milhares de milhões de vezes maiores que a do Sol, são normalmente encontrados no coração das suas galáxias natais, que dominam com a sua imensa gravidade. A incrível velocidade deste buraco negro supermassivo significa que ele está a cerca de 230.000 anos-luz do seu ponto de origem.
“Este é o único buraco negro que foi encontrado longe da sua antiga casa”, disse van Dokkum. “Isso tornou-o o melhor candidato (para um) buraco negro supermassivo em fuga, mas o que faltava era a confirmação. Tudo o que realmente tínhamos era uma sequência que era difícil de explicar de qualquer outra forma. Com o JWST, confirmámos agora que existe de facto um buraco negro na ponta da sequência, e que está a afastar-se rapidamente do seu antigo hospedeiro.”
Como identificar um fugitivo
Este agora confirmado buraco negro supermassivo em fuga foi identificado pela primeira vez por van Dokkum e colegas em 2023 usando o Telescópio Espacial Hubble, que detectou o que parecia ser o rastro de um corpo enorme passando pelo espaço. É claro que, como todos os buracos negros, esta fuga é delimitada por uma superfície unidirecional de retenção de luz chamada horizonte de eventos, tornando-o difícil de detectar.
“O buraco negro é, bem, negro – e é muito difícil de detectar quando se move através do espaço vazio. A razão pela qual avistamos o objecto é devido ao impacto que a passagem do buraco negro tem nos seus arredores: sabemos agora que ele provoca uma onda de choque no gás que se move, e é esta onda de choque, e o rasto da onda de choque atrás do buraco negro, que vemos,” disse van Dokkum. “Com o JWST, descobrimos o enorme deslocamento do gás na ponta da esteira, onde o buraco negro o empurra. As assinaturas de choque são cristalinas e não há dúvidas sobre o que está acontecendo aqui.” O gás é empurrado lateralmente para longe do buraco negro supermassivo a uma velocidade de centenas de milhares de milhas por hora (centenas de km por segundo), uma assinatura dinâmica que a equipe viu com o JWST.
“A velocidade do gás deslocado está diretamente relacionada com a velocidade do buraco negro, e foi assim que determinamos a velocidade do buraco negro a partir dos dados do JWST”, disse van Dokkum. “Ele está se movendo a aproximadamente 1.000 km por segundo, mais rápido do que qualquer outro objeto no universo. Foi esta alta velocidade que permitiu ao buraco negro escapar da força gravitacional de sua antiga casa.”
Como é que um buraco negro supermassivo se torna rebelde?
van Dokkum explicou que dois mecanismos possíveis poderiam levar à ejeção de um buraco negro supermassivo do coração de sua própria galáxia. Ambos os cenários começam quando duas galáxias colidem e começam a fundir-se, cada uma trazendo para o esmagamento cósmico o seu próprio buraco negro supermassivo. Ambos os mecanismos são iniciados quando os buracos negros supermassivos atingem o centro da galáxia recém-formada.
“O primeiro mecanismo é que os dois buracos negros se fundem, e que a radiação gravitacional (ondas gravitacionais) libertada nessa fusão transmite um impulso poderoso ao buraco negro recém-formado. Esse impulso poderia transmitir uma velocidade de 1.000 km/s, o suficiente para ejetar o buraco negro,” disse van Dokkum. “A segunda é uma interação de três corpos. Isso acontece quando uma das duas galáxias tem um par de buracos negros binários em seu centro. Quando um terceiro buraco negro entra no sistema binário, torna-se instável e um dos três buracos negros será expulso do sistema.”
A equipe acredita que este é o primeiro cenário que explica o buraco negro supermassivo em fuga neste caso. Isso levaria a uma galáxia sem um buraco negro supermassivo no seu centro, que van Dokkum disse que é pouco provável que tenha um grande impacto na referida galáxia. No entanto, este buraco negro supermassivo em fuga pode ter um enorme impacto em qualquer outra galáxia que encontre enquanto viaja pelo espaço.
“Um encontro com outra galáxia seria bastante espetacular, principalmente por causa da enorme onda de choque do tamanho de uma galáxia que precede o buraco negro”, continuou van Dokkum. “Quando esta onda de choque encontrar o gás denso de outra galáxia, ela comprimirá e chocará esse gás e provavelmente formará muitas novas estrelas. Seria um espetáculo e tanto!”
Felizmente, as galáxias de dois anéis que compõem a Coruja Cósmica estão localizadas a cerca de 9 mil milhões de anos-luz de distância, o que significa que mesmo que este titã cósmico em fuga estivesse a vir na nossa direção, não precisaríamos de nos preocupar com a possibilidade de ele nos alcançar.
As fusões entre galáxias são comuns, ocorrendo várias vezes ao longo da vida de uma única galáxia. Isto significa que os buracos negros supermassivos ejetados também podem ser bastante comuns, embora os números da população variem com base na forma como estas colisões são modeladas.
“As fusões acontecem frequentemente na vida de uma galáxia; cada galáxia com o tamanho e a massa da Via Láctea experimentou várias durante a sua vida. Portanto, os binários dos buracos negros devem formar-se com bastante regularidade. O que não sabemos é a rapidez com que estes binários se fundem, se é que o fazem, e com que frequência o impulso resultante remove um buraco negro,” disse van Dokkum. “A minha opinião é empírica: agora que sabemos como procurá-los, podemos encontrar outros exemplos – e então podemos responder à questão diretamente a partir dos dados, contando o número de fugas. O importante é que as fugas de buracos negros viveram puramente no reino da teoria até agora.”
“Tudo nesta pesquisa me surpreendeu! Nunca esperei ver tal coisa, e confirmar isso com o JWST foi simplesmente incrível”, disse van Dokkum. “O que também não tínhamos apreciado é o impacto que estes buracos negros em fuga têm no gás através do qual se movem. Na sequência, muitas novas estrelas formaram-se a partir do gás chocado, com cerca de 100 milhões de vezes a massa do Sol. Este modo de formação estelar era desconhecido antes e leva a um rasto de estrelas distantes da galáxia, aparentemente formadas no espaço vazio.”
O investigador da Universidade de Yale explicou que o próximo passo óbvio para a equipa será procurar mais exemplos de buracos negros de pista.
“É necessária uma imagem baseada no espaço para vê-los: a esteira destacou-se para nós porque é uma faixa muito fina e, em imagens terrestres, ficaria desfocada e irreconhecível”, explicou van Dokkum. “Felizmente, imagens de campo amplo com qualidade do Hubble estão chegando, graças ao Telescópio Espacial Romano e, um pouco mais desfocado, ao Euclid. Usar algoritmos de aprendizado de máquina para encontrar faixas finas nos dados romanos será um projeto interessante!”
A pesquisa da equipe foi submetida ao The Astrophysical Journal Letters e está atualmente disponível como um artigo pré-revisado por pares em arXiv.
