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Astronomia10/03/2022

‘Bilhar’ nos centros das galáxias pode explicar fusões de buracos negros

Ilustração de um enxame de buracos negros menores em um disco de gás girando em torno de um buraco negro gigante. Crédito: J. Samsing/Niels Bohr Institute

10/03/22 - 08h41min

Pesquisadores forneceram a primeira explicação plausível de por que um dos pares de buracos negros mais massivos observados até hoje por ondas gravitacionais também parecia se fundir em uma órbita não circular. A solução sugerida, agora publicada na revista Nature, envolve um drama triplo caótico dentro de um disco gigante de gás ao redor de um buraco negro supermassivo em outra galáxia.

Os buracos negros são um dos objetos mais fascinantes do universo, mas nosso conhecimento deles ainda é limitado – especialmente porque eles não emitem luz. Até alguns anos atrás, a luz era nossa principal fonte de conhecimento sobre nosso universo e seus buracos negros, até que o Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro a Laser (Ligo) em 2015 fez sua observação inovadora de ondas gravitacionais a partir da fusão de dois buracos negros.

“Mas como e onde em nosso universo esses buracos negros se formam e se fundem? Isso acontece quando estrelas próximas colapsam e ambas se transformam em buracos negros, é através de encontros casuais próximos em aglomerados de estrelas, ou é outra coisa? as questões-chave na nova era da Astrofísica de Ondas Gravitacionais”, disse Johan Samsing, professor assistente do Instituto Niels Bohr da Universidade de Copenhague (Dinamarca) e principal autor do artigo.

Ele e seus colaboradores podem ter fornecido uma nova peça para o quebra-cabeça, que possivelmente resolve a última parte de um mistério com o qual os astrofísicos têm lutado nos últimos anos.

Descoberta inesperada em 2019

O mistério remonta a 2019, quando uma descoberta inesperada de ondas gravitacionais foi feita pelos observatórios Ligo e Virgo. O evento, chamado GW190521, é entendido como a fusão de dois buracos negros que não eram apenas mais pesados ​​do que se pensava fisicamente possível, mas também produziram um clarão.

Desde então, possíveis explicações foram fornecidas para essas duas características, mas as ondas gravitacionais também revelaram uma terceira característica surpreendente desse evento – ou seja, os buracos negros não orbitavam um ao outro ao longo de um círculo nos momentos antes da fusão.

“O evento de onda gravitacional GW190521 é a descoberta mais surpreendente até hoje. As massas e rotações dos buracos negros já eram surpreendentes, mas ainda mais surpreendente foi que eles pareciam não ter uma órbita circular que levava à fusão”, disse o coautor Imre Bartos, professor da Universidade da Flórida (EUA).

Mas por que uma órbita não circular é tão incomum e inesperada?

“Isso se deve à natureza fundamental das ondas gravitacionais emitidas, que não apenas aproximam o par de buracos negros para que eles finalmente se fundam, mas também atuam para circularizar sua órbita”, explicou o coautor Zoltan Haiman, professor da Universidade de Columbia (EUA).

Essa observação deixou muitas pessoas ao redor do mundo maravilhadas. “Isso me fez começar a pensar em como essas fusões não circulares (conhecidas como ‘excêntricas’) podem acontecer com a probabilidade surpreendentemente alta que a observação sugere”, disse Samsing.

São precisos três para dançar o tango

Uma possível resposta seria encontrada no ambiente hostil nos centros das galáxias que abrigam um buraco negro gigante com milhões de vezes a massa do Sol e cercado por um disco plano e giratório de gás.

“Nesses ambientes, a velocidade e densidade típicas dos buracos negros são tão altas que buracos negros menores saltam como em um jogo gigante de bilhar e binários circulares grandes não podem existir”, apontou o coautor Bence Kocsis, professor da Universidade de Oxford (Reino Unido).

Mas, como o grupo argumentou, um buraco negro gigante não é suficiente.

“Novos estudos mostram que o disco de gás desempenha um papel importante na captura de buracos negros menores, que ao longo do tempo se aproximam do centro e também se aproximam um do outro. Isso não apenas implica que eles se encontram e formam pares, mas também que esse par pode interagir com um terceiro buraco negro, muitas vezes levando a um tango caótico com três buracos negros voando”, explicou o astrofísico Hiromichi Tagawa, da Universidade de Tohoku (Japão), coautor do estudo.

No entanto, todos os estudos anteriores até a observação do GW190521 indicaram que a formação de fusões excêntricas de buracos negros é relativamente rara. Isso naturalmente levanta a questão: por que a já incomum fonte de onda gravitacional GW190521 também se fundiu em uma órbita excêntrica?

Bilhar de buraco negro bidimensional

Tudo o que foi calculado até agora foi baseado na noção de que as interações dos buracos negros estão ocorrendo em três dimensões, como esperado na maioria dos sistemas estelares considerados até agora.

“Mas então começamos a pensar no que aconteceria se as interações dos buracos negros ocorressem em um disco plano, que está mais próximo de um ambiente bidimensional. Surpreendentemente, descobrimos nesse limite que a probabilidade de formar uma fusão excêntrica aumenta em até 100 vezes, o que leva a cerca de metade de todas as fusões de buracos negros em tais discos possivelmente sendo excêntricas”, afirmou Johan Samsing.

Ele prosseguiu: “E essa descoberta se encaixa incrivelmente bem com a observação de 2019, que agora aponta na direção de que as propriedades espetaculares dessa fonte não são tão estranhas novamente, se ela foi criada em um disco de gás plano em torno de um buraco negro supermassivo”.

Essa possível solução também contribui para um problema centenário em mecânica. “A interação entre três objetos é um dos problemas mais antigos da física, que tanto Newton, eu e outros estudamos intensamente”, afirmou o coautor Nathan W. Leigh, professor da Universidade de Concepción (Chile). “Que isso agora parece desempenhar um papel crucial na forma como os buracos negros se fundem em alguns dos lugares mais extremos do nosso universo é incrivelmente fascinante.”

Buracos negros em discos gasosos

A teoria do disco de gás também se encaixa nas explicações de outros pesquisadores sobre as outras duas propriedades intrigantes do GW190521. As grandes massas do buraco negro foram alcançadas por sucessivas fusões no interior do disco, enquanto a emissão de luz poderia se originar do gás ambiente.

“Mostramos agora que pode haver uma enorme diferença nos sinais emitidos por buracos negros que se fundem em discos bidimensionais planos, versus aqueles que geralmente consideramos em sistemas estelares tridimensionais, o que nos diz que agora temos uma ferramenta extra que podemos usar para aprender sobre como os buracos negros são criados e se fundem em nosso universo”, observou Samsing.

Mas este estudo é apenas o começo.

“As pessoas têm trabalhado para entender a estrutura de tais discos de gás por muitos anos, mas o problema é difícil. Nossos resultados são sensíveis a quão plano é o disco e como os buracos negros se movem nele. O tempo dirá se saberemos mais sobre esses discos, uma vez que tenhamos uma população maior de fusões de buracos negros, incluindo casos mais incomuns semelhantes ao GW190521. Para permitir isso, devemos aprofundar nossa descoberta agora publicada e ver aonde ela nos leva neste novo e empolgante campo”, concluiu o coautor Zoltan Haiman.

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Bence Kocsis