Os eventos mais energéticos do universo serão vistos já nessa década

Ainda nessa década, os astrônomos poderão detectar os eventos mais energéticos desde o Big Bang: as colisões entre buracos supermassivos. Elas podem liberar muito mais energia do que todas as estrelas do universo juntas, mas apenas os próximos instrumentos científicos podem observá-las.

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Os eventos mais energéticos de todos

Em 2016, foi anunciada a primeira detecção de ondas gravitacionais da história, confirmando mais uma vez as previsões da Teoria da Relatividade Geral de Albert Einstein. O evento que causou aquelas ondas foi a colisão entre buracos negros de 36 e 29 massas solares.

O resultado daquela fusão foi um buraco negro único com massa de 62 sóis — um valor inferior à soma dos dois buracos negros individuais. O motivo é que o restante dessa massa é convertida em energia pura (via E=mc²) transferida para as ondas gravitacionais detectadas pelo Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro Laser (LIGO).

Alguns anos depois, outra fusão de buracos negros foi detectada, dessa vez muito maior e um pouco mais complexa. Anunciado em 2020, o evento GW190521 envolveu um buraco negro de 85 massas solares e outro de 66, resultando em um único objeto de 142 massas solares.

Mas o evento mais energético já visto não foi uma fusão, e sim uma explosão em um buraco negro, no aglomerado de galáxias Ophiuchus, a cerca de 390 milhões de anos-luz de distância. A quantidade total de energia necessária para criar o fenômeno observado é de 5×10^54 J.

Se você não estiver familiarizado com esses números e letras que descrevem as energias liberadas, pense apenas que se trata da maior quantidade já medida pela humanidade em qualquer evento cósmico.

Existem muitos outros eventos normalmente descritos como grandes geradores de energia do universo, como as supernovas, hipernovas e kilonovas. Uma supernova cataclísmica tipo II, por exemplo, libera cerca de 10^44 J, enquanto as hipernovas atingem até mais de 100 vezes esse valor.

Nesses casos, tratam-se dos eventos mais brilhantes no céu, isto é, são os mais poderosos em emissão de radiação eletromagnética. Eles podem ofuscar galáxias inteiras, dependendo do brilho individual e da massa total da galáxia em questão. Ainda assim, estamos falando de muito menos energia do que aquela do evento GW190521.

Por outro lado, os quasares também rivalizam com os maiores emissores de energia do universo, mas eles são geradores de “baixa potência”, por assim dizer: liberam energia e massa equivalente a 10^54 J, mas isso ocorre ao longo de um milhão de anos (ou mais). Em contraste, as novas liberam suas energias estonteantes em um único pico, que dura pouco tempo, como horas ou dias. Colisões entre buracos negros exibem pico de energia que duram apenas alguns milissegundos.

As maiores emissões de energia desde o Big Bang

Não há muito — ou nenhum — espaço para dúvidas de que as fusões entre buracos negros supermassivos sejam as maiores emissoras de energia de todo o universo desde o Big Bang.

Em todas as colisões entre buracos negros pequenos (de algumas dezenas de massas solares), a potência de energia durante o pico superou todas as estrelas do universo combinadas por uma pequena fração de segundo.

Uma fusão desse tipo gera energia equivalente a 10% da massa do menor buraco negro envolvido na colisão. A primeira fusão entre buracos negros a ser descoberta liberou no total uma energia de aproximadamente 10^48 J em apenas 200 milissegundos.

Imagine agora uma colisão entre dois buracos negros supermassivos! Esses objetos, que habitam no centro de cada galáxia do universo, se chocam quando duas galáxias se fundem e liberam mais energia do que qualquer outra coisa que possa acontecer no cosmos.

Para se ter uma ideia, o sistema OJ 287 é formado por dois buracos negros supermassivos em processo de colisão: um de 150 milhões de massas solares e outro de 18 bilhões. Nos momentos finais desse processo, cerca de 3×10^54 J de energia serão liberados, atingindo o pico no momento em que a fase espiral termina e a colisão em si começa.

A fase de espiral é quando os dois buracos negros orbitam entre si aproximando-se a cada volta; isso dura um longo período de tempo durante o qual energia é convertida em ondas gravitacionais. Mas bem no finalzinho dessa fase que o evento específico da fusão começa, e a maior magnitude de energia é liberada.

Esse pequeno intervalo de tempo dura apenas alguns segundos, ou frações de segundo, mas é quando as coisas mais incríveis acontecem em uma fusão. Em uma colisão de buracos negros supermassivos onde a massa do objeto menor é superior a 600 milhões de massas solares, será emitido mais de 10^55 J nesse intervalo de frações de segundo.

Novamente, se você não estiver familiarizado com essas unidades numéricas, tenha em mente que os 3×10^54 J que serão liberados no sistema OJ 287 são muito inferiores aos 10^55 J do exemplo hipotético descrito acima. Neste último caso, o pico de energia seria, sem dúvidas, o evento mais energético já observado desde o Big Bang.

Como detectar esses eventos?

Colisões como essa já devem ter acontecido no universo, mas os instrumentos atuais são incapazes de detectá-las, mesmo para a futura colisão do sistema OJ 287. Por outro lado, existem técnicas que poderiam ajudar a descobrir essas fusões titânicas.

Uma das técnicas promissoras é baseada no tempo de variação de brilho de um pulsar, um tipo de estrela de nêutrons que “pisca” em intervalos de tempo muito precisos. Eles podem ser usados para revelar uma grande fusão, principalmente se as duas massas tiverem aproximadamente o mesmo valor.

Alguns dos buracos negros supermassivos já em fase de espiral podem ser detectados nesta década por grandes instrumentos de ondas gravitacionais, como o NANOGrav, European Pulsar Timing Array e o Parkes Pulsar Timing Array.

Essas estimativas são bem realistas e a expectativa é grande — à medida que esses buracos negros espiralam para dentro de suas órbitas, eles emitem ondas gravitacionais com uma amplitude e frequência corretas para serem observáveis por esses instrumentos.

Assim, cabe aos cientistas modelagem corretamente a frequência e a população desses buracos negros supermassivos em processo de fusão. Se tudo der certo, a primeira dupla em estágios finais de espiral pode ser detectada ainda no final da década de 2020.

Também existem outras técnicas para procurar por esses objetos, como a própria observação de radiação eletromagnética. Se ambos os métodos forem usados, os cientistas poderão estudar esses eventos tanto em ondas gravitacionais quanto em sinais eletromagnéticos, como os de raios-X, simultaneamente.

Instrumentos como Athena da ESA e o Lynx da NASA, ambos planejados para lançamento na próxima década, também poderão contribuir com a descoberta de outros candidatos a eventos mais energéticos do universo.

Fonte: Starts With a Bang