SDSS J0749 + 2255: Um quasar duplo fornece pistas sobre dois buracos negros supermassivos em rota de colisão dentro de uma fusão de galáxias

Hubble inesperadamente encontra quasar duplo em Universo distante

Os quasares são objetos brilhantes alimentados por buracos negros supermassivos e vorazes que explodem fontes ferozes de energia enquanto se engolem de gás, poeira e qualquer outra coisa ao seu alcance gravitacional.

Encontrar um duplo quasar é difícil devido ao desafio de distinguir dois buracos negros individualmente quando eles estão tão próximos um do outro. Mas, neste sistema em particular, chamado J0749+2255, ambos os buracos negros se apresentam em um frenesi de alimentação, devorando gás e poeira que se aqueceu a temperaturas tão altas que a dupla produziu um enorme show de ‘fogos de artifício’.Assim, o objeto observado denominado J0749+2255 é altamente incomum porque o sistema não possui somente um, mas dois quasares que estão ativos ao mesmo tempo e estão próximos o suficiente para que eventualmente se fundam.

Xin Liu, líder do artigo científico e membro da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, destacou:

Não vemos muitos quasares duplos neste período inicial do universo [ meio-dia-cósmico ]. É por isso que essa descoberta é tão intrigante.

Xin Liu

Encontrar quasares binários próximos é uma área de pesquisa relativamente nova que acaba de se desenvolver nos últimos 10 a 15 anos. Os poderosos novos observatórios de hoje permitiram aos astrônomos identificar casos em que dois quasares estão ativos ao mesmo tempo e estão próximos o suficiente para que eventualmente se fundam.

Há evidências crescentes de que grandes galáxias são construídas por meio de fusões. Sistemas menores se juntam para formar sistemas maiores e estruturas cada vez maiores. Durante esse processo, deve haver pares de buracos negros supermassivos formados dentro das galáxias em fusão.

Saber sobre a população progenitora de buracos negros acabará por nos dizer sobre o surgimento de buracos negros supermassivos no início do universo e quão frequentes essas fusões podem ser.

Yu-Ching Chen

Xin Liu, membro da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, afirmou:

Estamos começando a desvendar esta ponta do iceberg da população inicial de quasares binários. Esta é a singularidade deste estudo. Na verdade, está nos dizendo que esta população existe, e agora temos um método para identificar quasares duplos separados por menos do que o tamanho de uma única galáxia.

Xin Liu

Esta foi uma busca de ‘agulha no palheiro’ que exigiu o poder combinado do Telescópio Espacial Hubble da NASA e do Observatório W.M. Keck no Havaí. Observações de vários comprimentos de onda do Observatório Internacional Gemini no Havaí, do Karl G. Jansky Very Large Array da NSF no Novo México e do Observatório de Raios-X Chandra da NASA também contribuíram para a compreensão da dupla dinâmica. E o observatório espacial Gaia da ESA (Agência Espacial Europeia) ajudou a identificar esse quasar duplo em primeiro lugar.

A sensibilidade e resolução do Hubble forneceram imagens que nos permitem descartar outras possibilidades para o que estamos vendo.

Yu-Ching Chen

O Hubble mostra, inequivocamente, que este é realmente um par genuíno de buracos negros supermassivos, em vez de duas imagens do mesmo quasar criadas por uma lente gravitacional em primeiro plano. Além disso o Hubble revela uma característica de maré da fusão de duas galáxias, onde a gravidade distorce a forma das galáxias formando duas caudas de estrelas.

Entretanto, a resolução nítida do Hubble por si só não é boa o suficiente para procurar esses faróis de luz duplos. Os pesquisadores recrutaram o Gaia, lançado em 2013, para identificar possíveis candidatos a quasares duplos. Gaia mede as posições, distâncias e movimentos de objetos celestes próximos com muita precisão. Mas em uma nova técnica, ela pode ser usada para explorar o universo distante. O enorme banco de dados do Gaia pode ser usado para procurar quasares que imitam o movimento aparente de estrelas próximas. Os quasares aparecem como objetos únicos nos dados do Gaia porque estão muito próximos. No entanto, o Gaia pode captar uma “agitação” sutil e inesperado que imita uma aparente mudança na posição de alguns dos quasares que observa.

Na realidade, os quasares não estão se movendo pelo espaço de maneira mensurável. Em vez disso, seu balanço pode ser evidência de flutuações aleatórias de luz, pois cada membro do par de quasares varia em brilho em escalas de dias a meses, dependendo do cronograma de alimentação de seu buraco negro. Esse brilho alternado entre o par de quasares é semelhante a ver um sinal de cruzamento ferroviário à distância. Como as luzes em ambos os lados do sinal estacionário piscam alternadamente, o sinal dá a ilusão de “balançar”.

Outro desafio é que, como a gravidade distorce o espaço como um espelho de parque de diversões, uma galáxia em primeiro plano poderia dividir a imagem de um quasar distante em duas, criando a ilusão de que era realmente um par binário. O telescópio Keck foi usado para garantir que não haja nenhuma galáxia de lente entre nós e o suposto quasar duplo.

Como o Hubble olha para o passado distante, esse quasar duplo ‘não existe mais’. Ao longo dos 10 bilhões de anos intermediários, suas galáxias hospedeiras provavelmente se estabeleceram em uma galáxia elíptica gigante, como as vistas no universo local hoje. E os quasares se fundiram para se tornar um gigantesco buraco negro supermassivo em seu centro. A galáxia elíptica gigante próxima, M87, tem um monstruoso buraco negro pesando 6,5 bilhões de vezes a massa do nosso Sol. Talvez este buraco negro tenha crescido a partir de uma ou mais fusões de galáxias nos últimos bilhões de anos.

O próximo Telescópio Espacial Nancy Grace Roman da NASA, com a mesma acuidade visual do Hubble, será ideal para caçar quasares binários. O Hubble tem sido usado para obter dados minuciosamente para alvos individuais. Mas a visão em infravermelho de grande angular de Roman do universo será 200 vezes maior que a do Hubble.

Muitos quasares podem ser sistemas binários. O Telescópio Espacial Nancy Grace Roman poderá concretizar grandes melhorias nesta área de pesquisa.

Xin Liu

Os resultados foram publicados na revista Nature de 5 de abril de 2023 no artigo da Nature intitulado “A close quasar pair in a disk–disk galaxy merger at z = 2.17” e assinado por: Yu-Ching Chen, Xin Liu, Adi Foord, Yue Shen, Masamune Oguri, Nianyi Chen, Tiziana Di Matteo, Miguel Holgado, Hsiang-Chih Hwang e Nadia Zakamska

Abstract

As fusões de galáxias produzem pares de buracos negros supermassivos (SMBHs – Super Massive Black Holes ), que podem ser vistos como quasares duplos se ambos os SMBHs estiverem se acumulando rapidamente. A separação em escala-kiloparsec (kpc) representa um regime físico suficientemente próximo para que os efeitos induzidos pela fusão sejam importantes, contudo, amplos o suficiente para ser resolvidos diretamente com as facilidades atualmente disponíveis. Considerando que muitos núcleos galácticos ativos duplos na escala- kpc (as contrapartes de baixa luminosidade dos quasares) foram observados em fusões de baixo desvio para o vermelho (redshift), nenhum quasar duplo inequívoco é conhecido no meio-dia cósmico (z ≈ 2), o pico da formação global de estrelas e atividade quasar. Aqui nós relatamos observações em múltiplos comprimentos de onda (multiwavelength) do Sloan Digital Sky Survey (SDSS) J0749 + 2255 como um sistema de quasar duplo em escala-kpc hospedado por uma fusão de galáxias no ‘meio-dia cósmico’ (z = 2,17). Descobrimos galáxias hospedeiras estendidas associadas com os núcleos quasares compactos muito mais brilhantes (separados por 0,46″ ou 3,8 kpc) e recursos de maré de baixo brilho superficial como evidência de interações galácticas. Ao contrário de suas contrapartes de baixo redshift e baixa luminosidade, o SDSS J0749 + 2255 é hospedado por enormes galáxias dominadas por discos compactos. A aparente falta de protuberâncias estelares e o fato do objeto SDSS J0749 + 2255 já seguir a relação massa-massa estelar local do SMBH sugerem que pelo menos alguns SMBHs podem ter se formado antes de seus bojos estelares hospedeiros. Ainda em separações na escala-kpc, onde o potencial gravitacional da galáxia hospedeira domina, os dois SMBHs podem evoluir para um sistema binário ligado gravitacionalmente em cerca de 0,22 bilhões de anos (Gyr).

Yu-Ching Chen et . al

Fontes

Keck: A Dual Quasar Shines Light On Two Supermassive Black Holes On A Collision Course Inside A Galaxy Merger

NASA: Hubble Unexpectedly Finds Double Quasar in Distant Universe

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