Astrónomos Detetam a Maior e Mais Estranha Colisão de Buracos Negros Alguma Vez Encontrada

Este evento cósmico produziu o primeiro buraco negro deste tipo alguma vez detetado – e isso nem é o mais estranho.

Monday, September 7, 2020,
Por National Geographic
Representação artística de buracos negros binários prestes a colidir. Não se sabe se houve alguma emissão ...

Representação artística de buracos negros binários prestes a colidir. Não se sabe se houve alguma emissão eletromagnética associada a este evento conhecido por GW190521.

Fotografia de MARK MYERS, ARC CENTRE OF EXCELLENCE FOR GRAVITATIONAL WAVE DISCOVERY - OZGRAV (ILUSTRAÇÃO).

Há mais de 7 mil milhões de anos, dois enormes buracos negros rodopiaram entre si até que colidiram e se fundiram, um cataclismo tão intenso que enviou ondas através do tecido do espaço-tempo. Nas primeiras horas da manhã de 21 de maio de 2019, a Terra tremeu com as vibrações enviadas por este evento distante, dando aos astrónomos uma pista sobre a maior explosão cósmica alguma vez detetada – e que desafia as expectativas teóricas.

O sinal captado por dois observatórios – o LIGO nos Estados Unidos e o Virgo em Itália – surgiu sob a forma de ondas gravitacionais: interrupções no espaço-tempo que os eventos cósmicos podem desencadear. Este sinal – denominado GW190521 – veio de uma colisão verdadeiramente monstruosa. Os investigadores estimam que os dois buracos negros – 66 e 85 vezes mais massivos do que o nosso sol – entraram em espiral, unindo-se para formar um buraco negro 142 vezes mais massivo do que a nossa estrela.


O evento, anunciado no dia 2 de setembro na Physical Review Letters, é de longe o maior alguma vez detetado através de ondas gravitacionais. Numa fração de segundo, a fusão dos buracos negros libertou cerca de oito vezes mais energia do que a contida nos átomos do nosso sol, tudo na forma de ondas gravitacionais. Esta quantidade de energia é o equivalente ao lançamento de mais de um bilião de bombas atómicas por segundo durante 13.8 mil milhões de anos, a idade do universo observável.

Matthew Graham, astrónomo do Instituto de Tecnologia da Califórnia, que não faz parte das equipas LIGO e Virgo, diz que o evento é “provavelmente a maior explosão que alguma vez conhecemos no universo.”

A fusão destes buracos negros está a gerar muito entusiasmo científico por alguns motivos. Primeiro, o buraco negro produzido pela fusão preenche uma lacuna desconcertante nas nossas observações. Até agora, os investigadores já tinham encontrado buracos negros dezenas de vezes mais massivos do que o nosso sol, e buracos negros supermassivos milhares de milhões de vezes mais massivos do que o nosso sol, mas nunca tinham confirmado um que tivesse entre 100 e 100.000 massas solares. Com cerca de 142 massas solares, o buraco negro final do GW190521 é o primeiro encontrado nesta faixa intermediária.

“Agora podemos arrumar o assunto e dizer que existem buracos negros de massa intermediária”, diz Christopher Berry, físico da Universidade Northwestern e membro da equipa do LIGO.

Mas para Christopher Berry e outros cientistas, o buraco negro que resultou deste evento não é o mais interessante. Em vez disso, a verdadeira surpresa reside no mais massivo dos dois buracos negros iniciais, o que tinha uma massa cerca de 85 vezes superior à do nosso sol – porque teoricamente os buracos negros não deveriam existir nessa faixa.

“Isto é chocante, porque não esperamos que existam buracos negros nessa faixa”, diz Christopher.

Buraco negro inesperado
O buraco negro de 85 massas solares é um mistério devido à forma como os cientistas acreditam que as estrelas massivas morrem.

Apesar de toda a sua fúria nuclear, as estrelas são objetos em equilíbrio: a gravidade comprime as estrelas para dentro, mas à medida que a luz sai do núcleo, empurra a estrela novamente para fora. Mas as estrelas massivas podem por vezes queimar tanto nos seus núcleos que este equilíbrio pode ficar fora de sintonia. As partículas individuais de luz, chamadas fotões, captam energia suficiente para se transformarem em pares de eletrões e positrões, os equivalentes de antimatéria dos eletrões. Por exemplo, esta alteração diminui temporariamente a pressão dentro do núcleo do sol, fazendo com que a estrela se comprima e aqueça.

A teoria atual prevê que, quando uma estrela é cerca de 60 a 130 vezes mais massiva do que o nosso sol, a compressão e o aquecimento levam a uma explosão descontrolada chamada supernova de instabilidade de par. Este tipo de ocorrência destrói a estrela de uma forma que os detritos ejetados não conseguem colapsar em buraco negro.

Estranhamente, entre os dois buracos negros que criaram o GW190521, o buraco negro maior estava “exatamente na faixa em que esperaríamos instabilidade de par”, diz Christopher Berry. Ou seja, não devia ser possível uma estrela conseguir criar tal buraco negro.

“Se encontrássemos um buraco negro que tivesse entre 52 e 133 massas solares, não poderia ter sido sintetizado como um cadáver único de uma estrela”, explica Priyamvada Natarajan, astrofísica teórica da Universidade de Yale e especialista em buracos negros que não participou no estudo. “A natureza está a dizer-nos que existem muitas formas de alcançar estas massas de buracos negros.”

Fusões hostis?
Num artigo complementar publicado na The Astrophysical Journal Letters, a equipa LIGO-Virgo analisa vários cenários sobre como a fusão – e os estranhos buracos negros envolvidos – se pode ter formado. A ideia mais promissora é a de que pelo menos um dos buracos negros, senão ambos, se formou a partir da fusão entre dois buracos negros mais pequenos e mais comuns.

“Esse é o meu cenário favorito”, diz Steinn Sigurdsson, astrofísico da Universidade Estadual da Pensilvânia que não participou na descoberta.

Determinados tipos de ambientes cósmicos podem fazer com que estas fusões de dois estágios sejam mais prováveis. Se este tipo de evento acontecer dentro de um disco de gás que orbita um buraco negro supermassivo central de uma galáxia, as probabilidades de isto acontecer podem aumentar.

Também há indícios de que o GW190521 pode ter ocorrido com esta configuração. Em junho, Matthew Graham foi coautor de um estudo publicado na Physical Review Letters que descreve um clarão de luz na mesma região do GW190521, cerca de 34 dias após as ondas gravitacionais terem sacudido a Terra. A equipa de Matthew Graham argumentou que o clarão se pode ter formado quando o buraco negro fundido atravessou repentinamente o disco de gás em torno de um buraco negro supermassivo, aquecendo o gás de forma suficiente para o fazer brilhar.

Porém, há uma diferença persistente entre os novos estudos e os resultados do clarão de luz – a distância. O estudo de Matthew coloca o clarão numa galáxia a cerca de oito mil milhões de anos-luz de distância, enquanto que os resultados do LIGO-Virgo colocam a fusão do buraco negro a mais de 17 mil milhões de anos-luz. Matthew Graham diz que é possível que a mesma direção de ambos os locais seja apenas uma coincidência. “Se olharmos para coisas suficientes, encontramos estas coisas muito raras que se alinham.”

Priyamvada Natarajan apresenta outro cenário. Em 2014, esta astrofísica foi coautora de um estudo publicado na Science onde se calculava que, no início do universo, os pequenos buracos negros conseguiam aumentar com uma velocidade extraordinária, ressaltando aleatoriamente em torno de aglomerados de estrelas ricos em gás e crescendo ao longo do caminho. Noutro estudo que ainda está em desenvolvimento e que se baseia nesta ideia, Priyamvada descobriu que um determinado tipo de aglomerados de estrelas pode dar origem a um par de buracos negros, cada um com cerca de 50 a 75 vezes a massa do nosso sol, e que depois se podem fundir.

“É por isso que estou muito entusiasmada!”, diz Priyamvada.

Apesar de todo o trabalho teórico que o GW190521 irá certamente despertar, os cientistas dizem que os seus mistérios só serão resolvidos quando o LIGO e o Virgo detetarem mais colisões semelhantes. “Com um único evento, podemos sempre alegar que foram circunstâncias únicas”, diz Steinn Sigurdsson. “Assim que tivermos mais uns quantos eventos destes para avaliar, podemos começar realmente a espremer muito mais informações dos modelos.”


Este artigo foi publicado originalmente em inglês no site nationalgeographic.com.

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