Os buracos negros supermassivos têm amigos? A natureza da formação das galáxias sugere que a resposta é sim e, de fato, pares de buracos negros supermassivos devem ser comuns no Universo.
Buracos negros são sistemas intrigantes, e buracos negros supermassivos e os ambientes estelares densos que os cercam representam um dos lugares mais extremos do nosso Universo.
O buraco negro supermassivo que se esconde no centro de nossa galáxia, chamado Sgr A*, tem uma massa de cerca de 4 milhões de vezes a do Sol. Um buraco negro é um lugar no espaço onde a gravidade é tão forte que nem partículas nem luz podem escapar dele. Sgr A* é um denso aglomerado circundante de estrelas. Medições precisas das órbitas dessas estrelas permitiram aos astrônomos confirmar a existência desse buraco negro supermassivo e medir sua massa. Por mais de 20 anos, os cientistas monitoram as órbitas dessas estrelas ao redor do buraco negro supermassivo. Se um buraco negro tiver um companheiro, pode haver um segundo buraco negro nas proximidades que seja pelo menos 100.000 vezes a massa do Sol. 
No centro de nossa galáxia, há um buraco negro supermassivo na região conhecida como Sagitário A. Ela tem uma massa de cerca de 4 milhões de vezes a do Sol. (Crédito da imagem: ESA – C. Carreau)
Buracos negros supermassivos e seus amigos
Quase todas as galáxias, incluindo a Via Láctea, têm um buraco negro supermassivo no coração, com massas de milhões a bilhões de vezes a massa do Sol. Os astrônomos ainda estão estudando por que o coração das galáxias costuma hospedar um buraco negro supermassivo. Uma ideia popular se conecta à possibilidade de que buracos supermassivos tenham amigos.
Para entender essa ideia, precisamos voltar para quando o Universo tinha cerca de 100 milhões de anos, para a era das primeiras galáxias. Eles eram muito menores do que as galáxias de hoje, cerca de 10.000 ou mais vezes menos massivas que a Via Láctea. Nessas primeiras galáxias, as primeiras estrelas que morreram criaram buracos negros, com cerca de dezenas a mil a massa do Sol. Esses buracos negros afundaram no centro de gravidade, o coração da galáxia hospedeira. Como as galáxias evoluem ao se fundir e colidir entre si, as colisões entre galáxias resultarão em pares supermassivos de buracos negros – a parte principal desta história. Os buracos negros colidem e crescem em tamanho também. Um buraco negro com mais de um milhão de vezes a massa do nosso filho é considerado supermassivo.
Se de fato o buraco negro supermassivo tem um amigo girando em torno dele em órbita próxima, o centro da galáxia está travado em uma dança complexa. Os rebocadores gravitacionais também exercerão sua influência sobre as estrelas próximas, perturbando suas órbitas. Os dois buracos negros supermassivos estão orbitando um ao outro e, ao mesmo tempo, cada um está exercendo sua própria atração pelas estrelas ao seu redor.
As forças gravitacionais dos buracos negros puxam essas estrelas e as fazem mudar de órbita; em outras palavras, após uma revolução em torno do par supermassivo de buracos negros, uma estrela não voltará exatamente ao ponto em que começou.
Usando nosso entendimento da interação gravitacional entre o possível par supermassivo de buracos negros e as estrelas circundantes, os astrônomos podem prever o que acontecerá com as estrelas. Os Astrofísicos da pesquisa compararam as previsões com observações e, em seguida, determinaram as possíveis órbitas das estrelas e descobriram se o buraco negro supermassivo tem um companheiro que exerce influência gravitacional.
Usando uma estrela bem estudada, chamada S0-2, que orbita o buraco negro supermassivo que fica no centro da galáxia a cada 16 anos, já podemos descartar a ideia de que existe um segundo buraco negro supermassivo com massa acima de 100.000 vezes a massa do Sol e mais de 200 vezes a distância entre o Sol e a Terra. Se houvesse tal companheiro, os astrofísicos teríam detectado seus efeitos na órbita do SO-2.
Mas isso não significa que um companheiro menor de um buraco negro menor ainda não possa se esconder lá. Esse objeto pode não alterar a órbita do SO-2 de uma maneira que possamos medir facilmente.
A física dos buracos negros supermassivos.
A primeira imagem de um buraco negro. Este é o buraco negro supermassivo no centro da galáxia M87. (Crédito de imagem: Event Horizon Telescope Collaboration).
Buracos negros supermassivos têm chamado muita atenção ultimamente. Em particular, a imagem recente de um gigante no centro da galáxia M87 abriu uma nova janela para entender a física por trás dos buracos negros.
A proximidade do centro galáctico da Via Láctea – a apenas 24.000 anos-luz de distância – fornece um laboratório exclusivo para abordar questões da física fundamental dos buracos negros supermassivos. Por exemplo, astrofísicos pretendem entender o impacto nas regiões centrais das galáxias e seu papel na formação e evolução das galáxias. A detecção de um par de buracos negros supermassivos no centro galáctico indicaria que a Via Láctea se fundiu com outra galáxia, possivelmente pequena, em algum momento do passado.
Não é só isso que o monitoramento das estrelas ao redor pode nos dizer. As medições da estrela S0-2 permitiram aos cientistas realizar um teste único da teoria geral da relatividade de Einstein. Em maio de 2018, o S0-2 passou pelo buraco negro supermassivo a uma distância de apenas cerca de 130 vezes a distância da Terra ao Sol. Segundo a teoria de Einstein, o comprimento de onda da luz emitida pela estrela deve se estender à medida que sobe do poço gravitacional profundo do buraco negro supermassivo.
O alongamento do comprimento de onda previsto por Einstein – que faz a estrela parecer mais vermelha – foi detectado e prova que a teoria da relatividade geral descreve com precisão a física nessa zona gravitacional extrema. A segunda abordagem mais próxima de S0-2 ocorrerá em cerca de 16 anos. Os astrofísicos serão capazes de testar mais as previsões de Einstein sobre a relatividade geral, incluindo a mudança de orientação da órbita alongada das estrelas. Mas, se o buraco negro supermassivo tiver um parceiro, isso poderá alterar o resultado esperado. Finalmente, se houver dois enormes buracos negros orbitando um ao outro no centro galáctico, eles emitirão ondas gravitacionais. Desde 2015, os observatórios LIGO-Virgo detectam a radiação das ondas gravitacionais da fusão de buracos negros de massa estelar e estrelas de nêutrons. Essas detecções inovadoras abriram um novo caminho para os cientistas sentirem o Universo. Quaisquer ondas emitidas pelo nosso hipotético par de buracos negros estarão em baixas frequências, muito baixas para os detectores LIGO-Virgo. Mas um detector espacial planejado conhecido como LISA pode ser capaz de detectar essas ondas, o que ajudará os astrofísicos a descobrir se o buraco negro do nosso centro galáctico está sozinho ou tem um parceiro.