Fusão revela a existência de novo tipo de buraco negro

Cientistas identificam buracos negros cuja fusão produziu ondas gravitacionais iguais à energia de oito Sóis; objeto resultante pode redefinir os limites de tamanho para esses corpos

Simulação numérica de dois buracos negros que se fundem, emitindo ondas gravitacionais. (Confira vídeo completo mais abaixo.) Os buracos negros têm massas grandes e quase iguais, sendo um apenas 3% mais massivo que o outro. O sinal da onda gravitacional simulada é consistente com a observação feita pelos detectores de ondas gravitacionais LIGO e Virgo em 21 de maio de 2019 (GW190521). Crédito: N. Fischer, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Instituto Max Planck de Física Gravitacional), Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) Collaboration

Uma equipe internacional de cientistas observou o que parece ser um buraco negro volumoso emaranhado com outro mais comum. A equipe, liderada pelo Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech) e pelo Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), detectou esses objetos astronômicos se fundindo. Um dos buracos negros era 1,5 vez mais massivo do que qualquer outro já observado em uma colisão do gênero. Os pesquisadores acreditam que o buraco negro mais pesado do par pode ser o resultado de uma fusão anterior entre dois buracos negros.

Esse tipo de combinação hierárquica de buracos negros foi hipotetizado no passado, mas o evento observado, denominado GW190521, seria a primeira evidência para tal atividade.

Os cientistas identificaram a fusão dos buracos negros detectando as ondas gravitacionais – ondulações na estrutura do espaço-tempo – produzidas nos momentos finais da fusão. As ondas gravitacionais do GW190521 foram flagradas em 21 de maio de 2019 pelos detectores LIGO localizados em Livingston (Louisiana) e Hanford (Washington), nos Estados Unidos, e pelo detector Virgo localizado perto de Pisa, na Itália.

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Fusão mais massiva

A equipe de cientistas, que compõe a LIGO Scientific Collaboration (LSC) e a Virgo Collaboration, relatou suas descobertas em dois artigos. Um, publicado na revista “Physical Review Letters”, detalha a descoberta. O outro, na “The Astrophysical Journal Letters”, discute as propriedades físicas do sinal e as implicações astrofísicas.

Quase todos os sinais de ondas gravitacionais confirmados até agora provinham de uma fusão binária, seja entre dois buracos negros ou duas estrelas de nêutrons. Essa fusão mais recente parece ser a mais massiva até agora. Ela envolve dois buracos negros com massas cerca de 85 e 66 vezes a massa do Sol. O produto da fusão é a primeira detecção clara de um buraco negro de “massa intermediária”, com uma massa entre 100 e 1.000 vezes a do Sol.

Um cenário possível sugerido pelos novos artigos é que o objeto maior, com massa 85 vezes maior que o Sol, pode ter sido o resultado de uma fusão de buraco negro anterior, em vez de uma única estrela em colapso. De acordo com o entendimento atual, estrelas que poderiam dar origem a buracos negros com massas entre 65 e 135 vezes maiores que a do Sol não entram em colapso ao morrer. Portanto, não se espera que formem buracos negros.

“A massa do buraco negro maior do par o coloca em uma faixa em que é inesperado a partir dos processos astrofísicos regulares”, disse Peter Shawhan, professor de física da Universidade de Maryland (EUA) e um dos participantes do estudo. “Parece muito grande para ter sido formado a partir de uma estrela em colapso, que é de onde geralmente vêm os buracos negros.”

Sinal desafiador

“O fato de estarmos vendo um buraco negro nesta lacuna de massa fará muitos astrofísicos coçarem a cabeça e tentarem descobrir como esses buracos negros foram feitos”, afirmou Nelson Christensen, membro do Virgo, pesquisador do Centro Nacional Francês de Pesquisa Científica (CNRS) e diretor do Laboratório Artemis no Observatório de Nice, na França.

A fusão criou um buraco negro ainda mais massivo, com cerca de 142 massas solares. É o primeiro de seu tipo já detectado. Ele também liberou uma enorme quantidade de energia, equivalente a cerca de 8 massas solares, espalhada pelo universo na forma de ondas gravitacionais.

“Desde o início, este sinal [da fusão], que tem apenas um décimo de segundo de duração, nos desafiou a identificar sua origem”, disse Alessandra Buonanno, professora da Universidade de Maryland e diretora do Instituto Max Planck de Física Gravitacional em Potsdam (Alemanha). “Mas, apesar de sua curta duração, conseguimos combinar o sinal a um esperado de fusões de buracos negros, conforme previsto pela teoria da relatividade geral de Einstein, e percebemos que havíamos testemunhado, pela primeira vez, o nascimento de um buraco negro de massa intermediária a partir de um buraco negro que muito provavelmente nasceu de uma fusão binária anterior.”

“Este evento abre mais perguntas do que fornece respostas”, diz o membro do LIGO Alan Weinstein, professor de física da Caltech. “Do ponto de vista da descoberta e da física, é uma coisa muito empolgante.”

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