Uma colisão entre buracos negros surpreende os cientistas: fenômeno era considerado impossível

Um par de buracos negros recém-descobertos, que quebraram um recorde, fez com que os cientistas estourassem o champanhe e coçassem a cabeça ao mesmo tempo, de curiosidade e espanto. 

A dupla maciça é a maior já registrada no Observatório Interferométrico de Ondas Gravitacionais a Laser (Ligo), nos Estados Unidos, que foi construído para detectar ondulações no tecido do espaço-tempo causadas pela colisão de objetos maciços. Esses enormes objetos anômalos estão desafiando os teóricos a descobrir como eles chegaram a tamanhos tão titânicos.

“Não acreditamos que os buracos negros se formem entre 60 e 130 vezes a massa do sol, e esses dois parecem estar bem no meio dessa faixa”, afirma Mark Hannam, físico da Universidade de Cardiff, no Reino Unido, e membro da equipe do Ligo.

Acredita-se que o buraco negro comum nasce durante a morte de uma estrela gigante, quando o núcleo pesado da estrela entra em colapso em um ponto infinitesimal com gravidade tão forte que nada, nem mesmo a luz, pode escapar dele. Porém, a física desse processo se torna instável para estrelas especialmente grandes. 

Quando seus núcleos pesam mais do que cerca de 60 massas solares, o colapso se torna tão violento que a estrela inteira se desfaz em pedacinhos, não deixando nada, nem mesmo um buraco negro, para trás.

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No entanto, o Ligo está agora detectando cada vez mais buracos negros dentro dessa zona “proibida”, incluindo os mais novos gigantes. Acredita-se que eles tenham 103 e 137 vezes a massa do Sol, de acordo com um artigo publicado em 13 de julho no site arXiv.org, mas cada um deles tem incerteza suficiente em suas propriedades medidas para que ambos possam estar dentro da faixa proibida. 

Quando esses dois se encontraram e se fundiram no universo profundo e escuro, bilhões de anos atrás, criaram um monstro ainda maior, com uma massa solar entre 190 e 265 vezes maior, sendo “o monstro” mais maciço que o Ligo já viu. 

À medida que o observatório captar ondas gravitacionais de mais eventos desse tipo, os pesquisadores poderão desvendar o mistério de sua criação e, talvez, descobrir se eles têm uma conexão com os buracos negros surpreendentemente enormes que se escondem nos centros das galáxias.

Acreditava-se na existência de 2 tipos de buracos negros. Essa descoberta é um estranho 3º tipo 

Durante muito tempo, sabia-se que os buracos negros existiam em apenas duas versões: aproximadamente do tamanho de um sol e galácticos. A maioria dos cerca de 300 buracos negros que o Ligo detectou até agora se enquadra na primeira categoria: eles têm entre algumas e várias dezenas de vezes a massa do Sol e acredita-se que tenham se formado depois que uma estrela gigantesca explodiu como uma supernova, deixando para trás um resquício denso que suga inexoravelmente qualquer coisa que se aproxime demais.

A segunda versão é uma fera muito mais gigantesca. Os telescópios detectaram buracos negros nos centros de quase todas as galáxias; monstruosidades gravitacionais pesando 100 milhões de massas solares ou mais que parecem regular a formação de estrelas dentro dessas galáxias. 

Ninguém sabe ao certo como esses imensos devoradores ficaram tão grandes. Será que eles começaram como buracos negros da escala do sol e depois, de alguma forma, cresceram até o tamanho extremo? Ou haveria outra história por trás de sua criação?

A existência de buracos negros na faixa intermediária – em algum lugar entre 100 e 100 mil vezes a massa do Sol – ajudaria a preencher essa lacuna e talvez ajudasse a explicar se os buracos negros pequenos estavam se transformando em buracos maiores. Mas, até recentemente, os físicos nunca haviam visto um desse tipo. 

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Em 2020, com grande alarde, os pesquisadores do Ligo anunciaram que haviam encontrado uma dupla de buracos negros com massas 66 e 85 vezes maiores do que a do Sol, e que cuja colisão produziu um gigante com cerca de 150 massas solares. A descoberta mostrou pela primeira vez que os buracos negros poderiam cruzar esse limiar de massa intermediária, embora os teóricos ainda estejam debatendo exatamente como isso aconteceu.

O problema é que, quando uma estrela gigantesca tem um núcleo que pesa entre 60 e 130 vezes a massa do sol, ela pode atingir temperaturas escaldantes próximas a 300 milhões de graus Celsius no final de sua vida. Nesse momento, as partículas de luz se transformam espontaneamente em elétrons e em suas contrapartes de antimatéria, os pósitrons. 

Essas partículas não conseguem mais sustentar as pesadas camadas externas da estrela, que se desintegram com tanta ferocidade que o núcleo é completamente obliterado. O resultado não é um buraco negro ou qualquer outra coisa.

Os físicos especularam sobre algumas possibilidades para explicar o que estão vendo com o Ligo. Por um lado, suas teorias de evolução estelar podem estar erradas e talvez algo possa sobreviver ao severo colapso do núcleo de estrelas gigantescas. As outras possibilidades envolvem o crescimento de buracos negros menores em buracos maiores por meio de algum tipo de processo de duas etapas, diz o astrofísico Priyamvada Natarajan, da Universidade de Yale, em Connecticut, Estados Unidos.

Pode ser que dois buracos negros do tamanho de estrelas tenham se juntado e se combinado para formar gigantes mais pesados ou que um pequeno buraco negro tenha sido criado e, em seguida, sugado gás e poeira para se transformar em um monstro mais maciço. “A questão é: quais são os ambientes e as condições cósmicas em que essas coisas podem acontecer?” pergunta Natarajan.

Uma pista importante pode estar nos dois novos objetos, que estão girando como um pião próximo ao limite máximo que os cientistas acreditam que eles possam girar. Eles têm as rotações mais rápidas de qualquer buraco negro que o Ligo já tenha visto. Alguns pesquisadores postularam que tais rotações poderiam surgir quando buracos negros menores se encontram, se fundem e giram uns contra os outros.

Mas Natarajan acha que talvez algo mais esteja acontecendo aqui. Porque se os buracos negros que colidiram estivessem girando em direções opostas (e há uma boa chance de que estivessem), o buraco negro que se fundiu teria produzido um objeto de rotação mais lenta. Ela defende a ideia de que os buracos negros menores nasceram em densos aglomerados estelares cheios de gás e poeira. 

À medida que esse buraco negro do tamanho de uma estrela saltava, inalando material como água que desce pelo ralo, ele poderia ter crescido e girado até atingir a rotação extrema observada nestes novos objetos. Ela e seus colegas estão trabalhando para calcular o resultado exato desse processo de alimentação em aglomerados estelares.

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Cientistas ainda não terminaram a busca por enormes buracos negros 

As futuras atualizações dos detectores Ligo os tornarão mais sensíveis, permitindo que eles descubram buracos negros ainda mais enormes e meçam suas propriedades com mais precisão. 

Juntamente com os detectores de ondas gravitacionais na Europa, no Japão e, eventualmente, na Índia, os pesquisadores poderão identificar melhor os eventos de buracos negros no céu noturno, permitindo que os telescópios examinem essas áreas e vejam se há, por exemplo, um aglomerado denso de estrelas que possa favorecer um mecanismo de formação ou outro.

Os pesquisadores também estão ansiosos por instrumentos como o Cosmic Explorer e o Einstein Telescope, que devem entrar em operação em meados da década de 2030 ou 40, que poderão ver fusões de buracos negros que ocorreram muito antes na história do universo. 

Esses observatórios de ondas gravitacionais podem ser capazes de capturar eventos quando as galáxias estavam se formando, o que pode fornecer informações sobre como seus buracos negros centrais se tornaram tão gigantescos, além de melhores dados sobre buracos negros pequenos e intermediários.

“Há tantos buracos negros espalhados pelo universo”, diz Natarajan. “O fato de estarmos começando a unir essas escalas é muito empolgante.”