Maior colisão de buracos negros já registrada intriga cientistas

Uma colisão observada entre dois buracos negros, cada um mais massivo que centenas de sóis, é a maior fusão do tipo já registrada, segundo nova pesquisa.

Uma equipe de astrônomos descobriu o evento, denominado GW231123, quando o Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro Laser (LIGO) — um par de instrumentos idênticos localizados em Livingston, Louisiana, e Hanford, Washington — detectou ondulações sutis no espaço-tempo produzidas por dois buracos negros colidindo. Os físicos chamam essas ondulações de ondas gravitacionais.

As ondas gravitacionais foram previstas por Albert Einstein em 1915 como parte de sua teoria da relatividade, mas ele acreditava que eram muito fracas para serem descobertas pela tecnologia humana. Em 2016, no entanto, o LIGO as detectou pela primeira vez quando buracos negros colidiram, provando que Einstein estava certo (mais uma vez). No ano seguinte, três cientistas receberam prêmios por suas contribuições fundamentais para o desenvolvimento do que foi informalmente chamado de “telescópio de buraco negro”.

Desde a primeira detecção de ondas gravitacionais, o LIGO e seus instrumentos irmãos — Virgo na Itália e KAGRA no Japão — captaram sinais de cerca de 300 fusões de buracos negros. “Esses detectores incríveis são realmente os instrumentos de medição mais sensíveis que os seres humanos já construíram”, disse Mark Hannam, chefe do Instituto de Exploração da Gravidade da Universidade de Cardiff no Reino Unido e membro da Colaboração Científica LIGO. “Assim, estamos observando os eventos mais violentos e extremos do universo através das menores medições que podemos fazer”.

GW231123, no entanto, é excepcional entre essas 300 fusões de buracos negros, e não apenas por ser a colisão mais massiva.

“Os buracos negros individuais são especiais porque estão em uma faixa de massas onde não esperamos que sejam produzidos por estrelas moribundas”, disse Charlie Hoy, pesquisador da Universidade de Plymouth no Reino Unido, que também é membro da Colaboração Científica LIGO. “Como se isso não bastasse”, continuou, “os buracos negros também estão provavelmente girando quase tão rápido quanto fisicamente possível. GW231123 apresenta um verdadeiro desafio para nossa compreensão da formação de buracos negros”.

Uma “lacuna de massa”

As ondas gravitacionais são a única maneira de os cientistas observarem uma colisão em um sistema binário no qual dois buracos negros orbitam um ao outro. “Antes de podermos observá-los com ondas gravitacionais, havia até mesmo uma questão sobre se os sistemas binários de buracos negros existiam”, disse Hannam. “Buracos negros não emitem luz ou qualquer outra radiação eletromagnética, então qualquer tipo de telescópio comum é incapaz de observá-los”.

De acordo com a teoria da relatividade geral de Einstein, a gravidade é um estiramento do espaço e do tempo, e força os objetos a se moverem através do espaço curvo. Quando objetos se movem muito rapidamente, como buracos negros em rotação, o espaço curvo forma ondulações que se espalham para fora como ondas.

Essas ondas gravitacionais são “ridiculamente fracas”, segundo Hannam, e há limitações nas informações que podem fornecer. Por exemplo, há incerteza sobre a distância do GW231123 da Terra; pode estar a até 12 bilhões de anos-luz de distância. Hannam está mais confiante sobre a massa dos dois buracos negros, que se acredita serem aproximadamente 100 e 140 vezes a massa do Sol.

Esses números, no entanto, são intrigantes: “Existem mecanismos padrão pelos quais os buracos negros se formam — quando as estrelas ficam sem combustível, morrem e então colapsam”, disse Hannam. “Mas há uma faixa de massas onde pensamos que não é possível que buracos negros se formem dessa maneira. E os buracos negros do GW231123 estão exatamente no meio dessa lacuna (de massa). Então há uma questão sobre como eles se formaram e isso os torna muito interessantes”.

A “lacuna de massa” a que Hannam se refere começa em cerca de 60 massas solares e vai até aproximadamente 130, mas por ser uma faixa teórica, significando que não foi diretamente observada, há alguma incerteza sobre onde essa lacuna começa e onde termina. Mas se os buracos negros do GW231123 realmente se encaixam nessa lacuna, então provavelmente não se formaram a partir do colapso de estrelas, mas de alguma outra maneira.

Em um estudo publicado na segunda-feira no repositório de acesso aberto Arxiv, Hannam e seus colegas sugerem que a “lacuna de massa” poderia ser explicada se os dois buracos negros fossem resultados de fusões anteriores, em vez de produtos de estrelas moribundas. “Este é um mecanismo sobre o qual as pessoas têm falado no passado e do qual já vimos indícios antes”, disse ele.

Neste cenário, ocorre uma reação em cadeia de fusões de buracos negros.

“Você pode ter esse processo onde você simplesmente acumula buracos negros cada vez mais massivos. E como os buracos negros em GW231123 parecem ter massas que não poderiam ser obtidas por mecanismos normais, isso é um forte indício de que esse outro processo está ocorrendo, onde você tem essas fusões sucessivas”, explicou Hannam.

Se essa hipótese for confirmada, isso sugeriria a existência de uma população inesperada de buracos negros que, em termos de massa, se enquadram em algum lugar entre os buracos negros que se formam a partir da morte de estrelas massivas e os buracos negros supermassivos encontrados nos centros das galáxias, disse Dan Wilkins, cientista pesquisador do Instituto Kavli de Astrofísica e Cosmologia de Partículas da Universidade Stanford. Wilkins não esteve envolvido na descoberta do GW231123.

“As ondas gravitacionais estão abrindo uma janela realmente interessante para os buracos negros e estão revelando alguns mistérios intrigantes”, acrescentou. “Antes do advento da astronomia de ondas gravitacionais, só podíamos detectar buracos negros que estavam crescendo ativamente ao atrair material, produzindo uma poderosa fonte de luz. As ondas gravitacionais estão nos mostrando uma parte diferente da população de buracos negros que está crescendo não por atrair material, mas por se fundir com outros buracos negros.”

Girando muito rápido

A outra característica surpreendente do GW231123 é a velocidade com que os dois buracos negros estão girando um ao redor do outro.

“Até agora, a maioria dos buracos negros que encontramos com ondas gravitacionais tem girado relativamente devagar”, disse Charlie Hoy. “Isso sugere que o GW231123 pode ter se formado por meio de um mecanismo diferente em comparação com outras fusões observadas, ou pode ser um sinal de que nossos modelos precisam mudar.”

Rotações em alta velocidade como essas são difíceis de produzir, mas também apoiam a ideia de que os buracos negros passaram por fusões anteriores, porque os cientistas esperariam que buracos negros previamente fundidos girassem mais rápido, segundo Hannam.

“O GW231123 desafia nossos modelos de sinais de ondas gravitacionais, pois é complexo modelar tais rotações (rápidas), e se destaca como um evento extraordinário que é intrigante de interpretar”, disse Sophie Bini, pesquisadora de pós-doutorado no Caltech e membro da Colaboração LIGO-Virgo-KAGRA. “O que mais me surpreendeu é quanto ainda há para aprender sobre ondas gravitacionais. Realmente espero que no futuro possamos observar outros eventos similares ao GW231123 para melhorar nossa compreensão de tais sistemas.”

O recorde anterior para a fusão de buracos negros mais massiva já observada pertencia a uma fusão chamada GW190521, que era apenas 60% do tamanho do GW231123. Mas os cientistas podem encontrar fusões ainda mais massivas no futuro, disse Hannam, e as colisões podem um dia ser observadas através de instrumentos ainda mais precisos que podem se tornar disponíveis nas próximas décadas, como o proposto Cosmic Explorer nos EUA e o Telescópio Einstein na Europa.

Esta nova descoberta abre uma nova janela sobre como os buracos negros podem se formar e crescer, disse Imre Bartos, professor associado da Universidade da Flórida que não esteve envolvido na pesquisa. “Também mostra como a astronomia de ondas gravitacionais está amadurecendo rapidamente”, acrescentou. “Em menos de uma década, passamos da primeira detecção para explorar território que desafia nossas melhores teorias.”

Embora ele concorde que fusões anteriores poderiam explicar tanto a alta massa quanto a rápida rotação dos buracos negros, outras possibilidades incluem colisões repetidas em aglomerados de estrelas jovens ou o colapso direto de uma estrela excepcionalmente massiva. Ele acrescentou, no entanto, que essas possibilidades seriam menos propensas a produzir buracos negros que giram tão rapidamente.

É muito natural explicar os buracos negros no GW231123 como remanescentes de uma ou até múltiplas gerações de fusões anteriores, disse Zoltan Haiman, professor do Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria que também não esteve envolvido na descoberta. “Esta ideia já havia sido levantada imediatamente após a primeira detecção do LIGO de uma fusão (de buraco negro), mas esta nova fusão é muito difícil de explicar de outras maneiras.”

Futuras detecções, ele acrescentou, nos dirão “se este confronto peso-pesado foi um caso isolado ou apenas a ponta de um iceberg muito pesado”.

Fonte: CNN