Două găuri negre observate orbitând una în jurul celeilalte pentru prima dată

Sistemul binar de găuri negre OJ287 (reprezentare artistică). Credit: AAS 2018

Astronomii de la Event Horizon Telescope (EHT) au făcut istorie în 2019, obținând prima imagine a unei găuri negre. Obiectul în cauză era gaura neagră supermasivă (SMBH) din centrul galaxiei eliptice supergigante M87, aflată la circa 53,5 milioane de ani-lumină distanță, în constelația Fecioarei.

În 2022 a urmat prima imagine a lui Sagittarius A*, gaura neagră supermasivă din centrul galaxiei Calea Lactee.

Iar acum, într-o nouă premieră, astronomii au observat o pereche de găuri negre orbitând una în jurul celeilalte în quasarul OJ287, un nucleu galactic activ situat la 4 miliarde de ani-lumină distanță, în constelația Racului.

Cercetarea a fost condusă de astronomul și profesorul Mauri J. Valtonen de la Observatorul Tuorla și Universitatea din Turku, Finlanda. El a fost secondat de o echipă internațională de cercetători din cadrul Aryabhatta Research Institute of Observational Sciences (ARIES), Tata Institute of Fundamental Research, Laboratorul-cheie al CAS pentru Radioastronomie și Tehnologie, Institutul Astronomic al Universității Osaka Kyoiku, Institutul Astronomic al Academiei Cehe de Științe (ASU CAS), Nordic Optical Telescope, Hiroshima Astrophysical Science Center (HASC) și alte universități și observatoare.

Quasarii (prescurtare de la „quasi-stellar objects” – obiecte cvasi-stelare) sunt regiunile centrale ale galaxiilor care conțin în miezul lor găuri negre supermasive. Aceste găuri negre atrag materia din jur, formând discuri de acreție accelerate aproape până la viteza luminii. Procesul eliberează o cantitate uriașă de radiație, acoperind întregul spectru electromagnetic (optic, radio, raze X, gama etc.), făcând ca regiunea centrală să strălucească mai intens decât toate stelele galaxiei la un loc. În multe cazuri, găurile negre supermasive generează jeturi de materie care se extind de-a lungul axelor polare, pe mii sau milioane de ani-lumină.

OJ287 a fost observat pentru prima dată în secolul al XIX-lea, când astronomii l-au remarcat întâmplător în imagini ale altor obiecte cerești din aceeași regiune a cerului. În 1982, astronomul finlandez Aimo Sillanpää (pe atunci student la master la Universitatea din Turku) a emis ipoteza că în centrul quasarului se află două găuri negre care orbitează împreună, pe baza variațiilor regulate de luminozitate observate la fiecare 12 ani. De atunci, astronomii din întreaga lume au monitorizat OJ287 pentru a verifica teoria și pentru a afla mai multe despre mișcarea orbitală a perechilor de găuri negre.

După cum a explicat Valtonen într-un comunicat al Universității din Turku:

„Quasarul OJ287 este atât de luminos, încât poate fi detectat chiar și de astronomii amatori, cu telescoape private. Particularitatea lui OJ287 este că se crede că adăpostește nu una, ci două găuri negre care se rotesc una în jurul celeilalte pe o orbită de doisprezece ani, producând un tipar ușor de recunoscut de variații ale luminii în același interval.”

Pe baza observațiilor, astronomii estimează că sistemul conține o gaură neagră primară cu o masă de 18 miliarde de sori, orbitată de o gaură neagră secundară cu o masă de 150 milioane de sori. Ca în toate cazurile de gaură neagră supermasivă, cea primară este înconjurată de un disc de acreție luminos, pe care gaura secundară îl traversează de două ori în timpul perioadei sale orbitale de 12 ani. Cu câteva săptămâni înainte de impactul secundarei cu discul și trecerea prin el, aceasta emite erupții intense de radiație. În 2021, cercetătorul doctorand Lankeswar Dey (pe atunci colaborator la Universitatea din Turku) a condus echipa care a detectat pentru prima dată lumina provenind de la aceste două găuri negre.

Din păcate, satelitul NASA Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS), care a surprins imagini ale perechii binare în lumină vizibilă, nu a avut rezoluția necesară pentru a le distinge individual. Pentru a le separa, a fost nevoie de imagini de înaltă rezoluție furnizate de un proiect internațional de interferometrie VLBI (Very Long Baseline Interferometer) condus de Astro Space Center al Institutului Fizic Lebedev din Moscova, care include și satelitul RadioAstron. După cum a explicat Valtonen:

„Imaginea celor două găuri negre a fost captată cu un sistem de radiotelescoape care includea satelitul RadioAstron. Acesta a funcționat în urmă cu un deceniu, când a fost observat OJ287. Antena radio a satelitului a ajuns până la jumătatea distanței dintre Pământ și Lună, îmbunătățind considerabil rezoluția imaginii. În ultimii ani am putut folosi doar telescoape terestre, ale căror imagini nu sunt la fel de detaliate.”

Ilustrare a sistemului astrofizic OJ 287. Credit: Valtonen, M. et al. (2025)

Când echipa a comparat calculele teoretice anterioare cu imaginile radio obținute, a constatat că cele două găuri negre se aflau exact acolo unde fuseseră prezise. Aceasta confirmă existența găurilor negre în orbite binare în interiorul quasarilor, rezolvând astfel un mister vechi de patruzeci de ani, început cu descoperirea făcută de Sillanpää și colegii săi.

„Pentru prima dată am reușit să obținem o imagine cu două găuri negre care se rotesc una în jurul celeilalte. În imagine, găurile negre sunt identificate prin jeturile intense de particule pe care le emit”, a spus Valtonen. „Găurile negre însele sunt complet negre, dar pot fi detectate datorită acestor jeturi de particule sau a gazului incandescent care le înconjoară.”

De asemenea, echipa a identificat un nou tip de jet emis de gaura neagră secundară, care pare să aibă un profil răsucit, în formă de șarpe. Acest efect este cauzat de mișcarea rapidă a găurii negre secundare în jurul găurii primare, ceea ce face ca jetul să-și schimbe direcția în funcție de poziția orbitală. Potrivit cercetătorilor, observațiile viitoare vor arăta cum jetul se va răsuci în direcții diferite, pe măsură ce viteza și orientarea găurii negre secundare se modifică în raport cu orbita sa.