É uma descoberta "extraordinária", "intrigante"
Astrónomos detetam a maior colisão de sempre de buracos negros
por Jacopo Prisco, CNN
Uma colisão observada entre dois buracos negros, cada um mais maciço do que 100 sóis, é a maior fusão deste tipo já registada, de acordo com uma nova investigação.
Uma equipa de astrónomos descobriu o evento, denominado GW231123, quando o Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferómetro Laser (LIGO) — um par de instrumentos idênticos localizados em Livingston, Louisiana, e Hanford, Washington — detetou ondulações ténues no espaço-tempo produzidas pela colisão de dois buracos negros. Os físicos chamam a estas ondulações "ondas gravitacionais".
As ondas gravitacionais foram previstas por Albert Einstein em 1915 como parte da sua teoria da relatividade, mas o mesmo acreditava que eram demasiado fracas para serem descobertas pela tecnologia humana. Em 2016, porém, o LIGO detetou-as pela primeira vez quando os buracos negros colidiram, provando que Einstein tinha razão (mais uma vez) quando previu a existência das ondas. Em 2017, três cientistas receberam prémios pelas suas principais contribuições para o desenvolvimento do que tem sido coloquialmente chamado "telescópio de buraco negro".
Desde a primeira deteção de ondas gravitacionais, o LIGO e os seus instrumentos irmãos — Virgo, em Itália, e KAGRA, no Japão — captaram sinais de cerca de 300 fusões de buracos negros. "Estes detetores incríveis são realmente os instrumentos de medição mais sensíveis que os seres humanos já construíram", afirmou Mark Hannam, responsável do Instituto de Exploração Gravitacional da Universidade de Cardiff, no Reino Unido, e membro da Colaboração Científica do LIGO. "Portanto, estamos a observar os eventos mais violentos e extremos do universo através das medições mais pequenas que podemos fazer."
O GW231123, no entanto, é excecional entre estas 300 fusões de buracos negros - e não apenas porque é a mais maciça das colisões.
“Os buracos negros individuais são especiais porque se encontram numa faixa de massas onde não esperamos que sejam produzidos por estrelas moribundas”, diz Charlie Hoy, investigador da Universidade de Plymouth, no Reino Unido, que é também membro da Colaboração Científica LIGO. “Como se não bastasse”, continua, “os buracos negros estão provavelmente também a girar quase tão depressa quanto fisicamente possível - o GW231123 representa um verdadeiro desafio para a nossa compreensão da formação de buracos negros”.
Uma "lacuna de massa"
As ondas gravitacionais são a única forma pela qual os cientistas conseguem observar uma colisão num sistema binário em que dois buracos negros orbitam um ao outro. "Antes de os podermos observar com ondas gravitacionais, havia até a questão de saber se existiam sequer buracos negros binários", diz Hannam. "Os buracos negros não emitem luz ou qualquer outra radiação eletromagnética, pelo que qualquer tipo de telescópio comum é incapaz de os observar."
De acordo com a teoria da relatividade geral de Einstein, a gravidade é uma distensão do espaço e do tempo, forçando os objetos a moverem-se através de um espaço curvo. Quando os objetos se movem muito rapidamente, como os buracos negros em rotação, o espaço curvo forma ondulações que se espalham como ondas.
Estas ondas gravitacionais são "ridiculamente fracas", segundo Hannam, e existem limitações quanto à informação que podem fornecer. Por exemplo, existe incerteza quanto à distância de GW231123 à Terra; pode estar até 12 mil milhões de anos-luz de distância. Hannam está mais confiante quanto à massa dos dois buracos negros, que se pensa terem aproximadamente 100 e 140 vezes a massa do Sol.
Estes números, no entanto, são intrigantes: "Existem mecanismos padrão através dos quais se formam buracos negros — quando as estrelas ficam sem combustível, morrem e depois colapsam", refere Hannam. "Mas há uma gama de massas em que acreditamos que não é possível que os buracos negros se formem desta forma. E os buracos negros de GW231123 vivem no meio desta lacuna (de massa). Portanto, há uma questão de como se formaram e isso torna-os bastante interessantes."
A "lacuna de massa" a que Hannam se refere começa em cerca de 60 massas solares e vai até aproximadamente 130, mas, como se trata de uma faixa teórica, ou seja, não foi observada diretamente, existe alguma incerteza sobre onde começa e onde termina esta lacuna. Mas se os buracos negros de GW231123 se enquadram realmente nesta lacuna, então provavelmente não se formaram a partir do colapso de estrelas, mas de alguma outra forma.
Num estudo publicado na segunda-feira no repositório de acesso aberto Arxiv, Hannam e os seus colegas sugerem que a "lacuna de massa" poderia ser explicada se os dois buracos negros fossem resultados de fusões anteriores e não o produto da morte de estrelas. "Este é um mecanismo sobre o qual as pessoas já falaram no passado e já vimos indícios antes."
Neste cenário, ocorre uma reação em cadeia de fusões de buracos negros. "Podemos ter este processo em que se formam buracos negros cada vez mais maciço. E como os buracos negros em GW231123 parecem ter massas que não seriam possíveis por mecanismos normais, isto é um forte indício de que este outro processo está em curso, no qual ocorrem estas fusões sucessivas", explica Hannam.
A confirmar-se esta hipótese, sugerirá a existência de uma população inesperada de buracos negros que, em termos de massa, se situam algures entre os buracos negros formados pela morte de estrelas maciças e os buracos negros supermaciços que se encontram no centro das galáxias, diz Dan Wilkins, investigador do Instituto Kavli de Astrofísica de Partículas e Cosmologia da Universidade de Stanford. Wilkins não esteve envolvido na descoberta do GW231123.
“As ondas gravitacionais estão a abrir uma janela realmente interessante para os buracos negros e a revelar alguns mistérios realmente intrigantes”, acrescenta. “Antes do advento da astronomia das ondas gravitacionais, só conseguíamos detetar buracos negros que estavam a crescer ativamente, a atrair material, a produzir uma poderosa fonte de luz. As ondas gravitacionais estão a mostrar-nos uma parte diferente da população de buracos negros que está a crescer não pela atração de material, mas pela fusão com outros buracos negros.”
Giram com grande rapidez
Outra característica surpreendente do GW231123 é a rapidez com que os dois buracos negros giram um em torno do outro.
“Até agora, a maioria dos buracos negros que encontrámos com ondas gravitacionais girava bastante lentamente”, afirma Charlie Hoy. “Isto sugere que o GW231123 pode ter-se formado por um mecanismo diferente de outras fusões observadas ou pode ser um sinal de que os nossos modelos precisam de mudar.”
Estas rotações de alta velocidade são difíceis de produzir, mas também apoiam a ideia de que os buracos negros sofreram fusões anteriores, porque os cientistas esperariam que os buracos negros previamente fundidos girassem mais rapidamente, de acordo com Hannam.
“O GW231123 desafia os nossos modelos de sinais de ondas gravitacionais, pois é complexo modelar tais spins (rápidos) e destaca-se como um evento extraordinário e intrigante de interpretar”, sublinhou Sophie Bini, investigadora de pós-doutoramento no Caltech e membro da Colaboração LIGO-Virgo-KAGRA. “O que mais me surpreendeu foi o quanto ainda há para aprender sobre as ondas gravitacionais. Espero realmente que, no futuro, possamos observar outros eventos semelhantes ao GW231123 para melhorar a nossa compreensão destes sistemas.”
O recorde anterior para a fusão de buracos negros mais maciça alguma vez observada pertencia a uma fusão chamada GW190521, que era apenas 60% tão grande como a GW231123. Mas os cientistas podem vir a encontrar fusões ainda mais maciças no futuro, diz Hannam, e as colisões podem um dia ser observadas por instrumentos ainda mais precisos que podem estar disponíveis nas próximas décadas, como o proposto Cosmic Explorer, nos EUA, e o Telescópio Eistein, na Europa.
Esta nova descoberta abre uma nova janela para a formação e crescimento de buracos negros, diz Imre Bartos, professor associado da Universidade da Flórida, que não participou na investigação. "Também mostra a rapidez com que a astronomia de ondas gravitacionais está a amadurecer", acrescenta. "Em menos de uma década, passámos da primeira deteção para o mapeamento de um território que desafia as nossas melhores teorias."
Embora concorde que as fusões anteriores possam explicar tanto a elevada massa como a rotação rápida dos buracos negros, outras possibilidades incluem colisões repetidas em enxames estelares jovens ou o colapso direto de uma estrela anormalmente maciça. Acrescenta, no entanto, que estas possibilidades teriam menos probabilidade de produzir buracos negros com esta velocidade de rotação.
É muito natural explicar os buracos negros no GW231123 como remanescentes de uma ou mesmo de múltiplas gerações de fusões anteriores, afirma Zoltan Haiman, professor do Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria, que também não participou na descoberta. "Esta ideia já tinha sido levantada imediatamente após a primeira deteção de uma fusão (de buracos negros) pelo LIGO, mas esta nova fusão é muito difícil de explicar de outras formas."
As deteções futuras, acrescentou, vão dizer-nos “se este combate de pesos pesados foi um evento isolado ou a ponta de um icebergue muito pesado”.
