Uma impressão artística de dois buracos negros em colisão. Crédito: Carol & Mike Werner/Visuals Unlimited, INC./Science Photo Library
Astrônomos detectaram a mais poderosa, mais distante e mais perplexa colisão de buracos negros ainda usando ondas gravitacionais. Dos dois gigantes que se fundiram quando o Universo tinha metade da sua idade actual, pelo menos um – pesando 85 vezes mais do que o Sol – tem uma massa que se pensava ser demasiado grande para estar envolvido em tal evento. E a fusão produziu um buraco negro de quase 150 massas solares, os pesquisadores estimaram, colocando-o em um intervalo onde nenhum buraco negro tinha sido visto de forma conclusiva antes.
“Tudo sobre esta descoberta é um alucinante”, diz Simon Portegies Zwart, um astrofísico computacional da Universidade de Leiden, na Holanda. Em particular, diz ele, confirma a existência de ‘massa intermediária’ de buracos negros: objetos muito mais maciços que uma estrela típica, mas não tão grandes quanto os buracos negros supermassivos que habitam os centros das galáxias.
Ilya Mandel, astrofísico teórico da Universidade de Monash, em Melbourne, Austrália, chama a descoberta de “maravilhosamente inesperada”.
O evento, descrito em dois artigos publicados a 2 de Setembro1,2, foi detectado a 21 de Maio de 2019, pelos detectores gémeos do Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) nos Estados Unidos e pelo menor observatório Virgo perto de Pisa, Itália. É nomeado GW190521 após sua data de detecção.
Massas proibidas
Desde 2015, o LIGO e a Virgo forneceram novos conhecimentos sobre o cosmos através da detecção de ondas gravitacionais. Estas ondulações no tecido do espaço-tempo podem revelar eventos como a fusão de buracos negros que normalmente não seriam visíveis com telescópios comuns.
Das propriedades das ondas gravitacionais, como a forma como se alteram no passo, os astrofísicos podem estimar os tamanhos e outras características dos objectos que as produziram, pois estavam a entrar em espiral umas nas outras. Isso revolucionou o estudo dos buracos negros, fornecendo evidência direta para dezenas desses objetos, variando em massa de poucas a cerca de 50 vezes a massa do Sol.
Essas massas são consistentes com os buracos negros que se formaram de forma ‘convencional’ – quando uma estrela muito grande fica sem combustível para queimar e colapsa sob seu próprio peso. Mas a teoria convencional diz que o colapso estelar não deve produzir buracos negros entre cerca de 65 e 120 massas solares. Isso porque no final das suas vidas, as estrelas de uma certa gama de tamanhos tornam-se tão quentes nos seus centros que começam a converter fótons em pares de partículas e antipartículas – um fenómeno chamado instabilidade de pares. Isto desencadeia a fusão explosiva dos núcleos de oxigênio, que rasga a estrela, desintegrando-a completamente.
Na sua última descoberta, os detectores LIGO e Virgo detectaram apenas as últimas quatro ondulações produzidas pelos buracos negros em espiral, com uma frequência que subiu de 30 para 80 Hertz em um décimo de segundo. Enquanto os buracos negros relativamente menores continuam a ‘chilrear’ até frequências mais altas, os muito grandes fundem-se mais cedo e mal entram na extremidade inferior da gama de frequências a que os detectores são sensíveis.
Neste caso, estima-se que os dois objectos pesem cerca de 85 e 66 massas solares. “Isto está muito bem no intervalo que seria de se esperar que o intervalo de massa de instabilidade de pares fosse”, diz o astrofísico da LIGO Christopher Berry na Northwestern University em Evanston, Illinois.
Selma de Mink, astrofísico da Universidade de Harvard em Cambridge, Massachusetts, coloca o corte para instabilidade de pares ainda mais baixo, talvez em 45 massas solares, o que empurraria o isqueiro dos dois objetos firmemente para a zona proibida também. “Para mim, ambos os buracos negros são desconfortavelmente maciços”, diz ela.
Buracos negros não convencionais
Para explicar suas observações, os pesquisadores da LIGO consideraram uma gama de possibilidades, incluindo que os buracos negros já existiam desde o início dos tempos. Durante décadas, os pesquisadores conjecturaram que tais buracos negros ‘primordiais’ poderiam ter se formado espontaneamente em uma ampla gama de tamanhos logo após o Big Bang.
O cenário principal que a equipe contemplou é que os buracos negros ficaram tão grandes porque eles mesmos eram o resultado de fusões anteriores de buracos negros. Os buracos negros resultantes de colapsos estelares deveriam fervilhar dentro de aglomerados estelares densos e, em princípio, eles poderiam sofrer fusões repetidas. Mas mesmo este cenário é problemático porque, após uma primeira fusão, o buraco negro resultante deveria tipicamente receber um chute das ondas gravitacionais e se ejetar do aglomerado. Apenas em casos raros o buraco negro ficaria em uma área onde poderia sofrer outra fusão.
Fusões sucessivas seriam mais prováveis se os buracos negros habitassem a região central lotada de sua galáxia, diz de Mink, onde a gravidade é forte o suficiente para evitar que objetos de recuo disparassem para fora.
Não se sabe em que galáxia a fusão aconteceu. Mas, aproximadamente na mesma região do céu, uma equipe de pesquisadores avistou um quasar – um centro galáctico extremamente brilhante alimentado por um buraco negro supermassivo – sofrendo um sinalizador cerca de um mês após GW1905213. A chama poderia ter sido uma onda de choque no gás quente do quasar produzido pelo buraco negro de recuo, embora muitos astrônomos sejam cautelosos em aceitar que os dois fenômenos estão relacionados.
Esta é a segunda vez este ano que a colaboração LIGO-Virgo entra em uma faixa de massa ‘proibida’: em junho, eles descreveram uma fusão envolvendo um objeto de cerca de 2,6 massas solares – tipicamente considerado muito leve para ser um buraco negro, mas muito maciço para ser uma estrela de nêutrons4,