Apesar de todo o seu vasto vazio, o Universo está vibrando com atividade na forma de ondas gravitacionais. Produzidas por fenômenos astrofísicos extremos, essas reverberações ondulam e sacodem o tecido do espaço-tempo, como o toque de um sino cósmico.
Agora, os pesquisadores detectaram um sinal do que pode ser a fusão de buraco negro mais massiva já observada em ondas gravitacionais. 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.
Eles detectaram o sinal, que rotularam de GW190521, em 21 de maio de 2019, com o Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) da National Science Foundation, um par de interferômetros idênticos de 4 quilômetros nos Estados Unidos; e Virgo, um detector de 3 quilômetros de comprimento na Itália.
O sinal, que lembra cerca de quatro meneios curtos, é extremamente breve em duração, durando menos de um décimo de segundo. Pelo que os pesquisadores podem dizer, GW190521 foi gerado por uma fonte que está a cerca de 5 gigaparsecs de distância, quando o Universo tinha cerca de metade de sua idade, tornando-o uma das fontes de ondas gravitacionais mais distantes detectadas até agora.
Quanto ao que produziu esse sinal, com base em um poderoso conjunto de ferramentas computacionais e de modelagem de última geração, os cientistas pensam que o GW190521 foi provavelmente gerado por uma fusão de buraco negro binário com propriedades incomuns.
Quase todos os sinais de ondas gravitacionais confirmados até agora foram provenientes de uma fusão binária, seja entre dois buracos negros ou duas estrelas de nêutrons. Esta fusão mais recente parece ser a mais massiva até agora, envolvendo dois buracos negros inspiradores com massas cerca de 85 e 66 vezes a massa do Sol.
A equipe do LIGO-Virgo também mediu o giro de cada buraco negro e descobriu que, conforme os buracos negros giravam cada vez mais próximos, eles poderiam estar girando em torno de seus próprios eixos, em ângulos que estavam fora de alinhamento com o eixo de sua órbita. Os giros desalinhados dos buracos negros provavelmente causaram a oscilação de suas órbitas, ou “precessão”, quando os dois Golias espiralaram um em direção ao outro.
O novo sinal provavelmente representa o instante em que os dois buracos negros se fundiram. A fusão criou um buraco negro ainda mais massivo, com cerca de 142 massas solares, e liberou uma enorme quantidade de energia, equivalente a cerca de 8 massas solares, espalhada pelo Universo na forma de ondas gravitacionais.
“Isso não se parece muito com um chilrear, que é o que normalmente detectamos”, diz Nelson Christensen, membro da Virgem, pesquisador do Centro Nacional Francês de Pesquisa Científica (CNRS), comparando o sinal com a primeira detecção de ondas gravitacionais do LIGO em 2015. “Isso é mais como algo que faz 'bang', e é o sinal mais massivo que LIGO e Virgem já viram”.
A equipe internacional de cientistas, que compõe a LIGO Scientific Collaboration (LSC) e a Virgo Collaboration, relatou suas descobertas em dois artigos publicados hoje. Um, que aparece na Physical Review Letters , detalha a descoberta, e o outro, no The Astrophysical Journal Letters, discute as propriedades físicas do sinal e as implicações astrofísicas.
“O LIGO mais uma vez nos surpreende não apenas com a detecção de buracos negros em tamanhos difíceis de explicar, mas com técnicas que não foram projetadas especificamente para fusões estelares”, diz Pedro Marronetti, diretor do programa de física gravitacional do National Science Fundação. “Isso é de extrema importância, pois mostra a capacidade do instrumento de detectar sinais de eventos astrofísicos totalmente imprevistos. O LIGO mostra que também pode observar o inesperado”.
As massas excepcionalmente grandes dos dois buracos negros inspiradores, bem como o buraco negro final, levantam uma série de questões sobre sua formação.
Todos os buracos negros observados até o momento se enquadram em duas categorias: buracos negros de massa estelar, que medem de algumas massas solares até dezenas de massas solares e acredita-se que se formem quando estrelas massivas morrem; ou buracos negros supermassivos, como aquele no centro da galáxia da Via Láctea, que variam de centenas de milhares a bilhões de vezes mais do que o nosso Sol.
No entanto, o buraco negro final de 142 massas solares produzido pela fusão GW190521 está dentro de uma faixa de massa intermediária entre buracos negros de massa estelar e supermassivos - o primeiro de seu tipo já detectado.
Os dois buracos negros progenitores que produziram o buraco negro final também parecem ser únicos em seu tamanho. Eles são tão massivos que os cientistas suspeitam que um ou ambos podem não ter se formado a partir de uma estrela em colapso, como acontece com a maioria dos buracos negros de massa estelar.
De acordo com a física da evolução estelar, a pressão externa dos fótons e do gás no núcleo de uma estrela a apóia contra a força da gravidade que a empurra para dentro, de modo que a estrela é estável, como o Sol. Depois que o núcleo de uma estrela massiva funde núcleos pesados como o ferro, ele não consegue mais produzir pressão suficiente para sustentar as camadas externas. Quando essa pressão externa é menor que a gravidade, a estrela colapsa sob seu próprio peso, em uma explosão chamada supernova de colapso do núcleo, que pode deixar para trás um buraco negro.
Este processo pode explicar como estrelas tão massivas quanto 130 massas solares podem produzir buracos negros com até 65 massas solares. Mas para estrelas mais pesadas, acredita-se que um fenômeno conhecido como “instabilidade de par” apareça. Quando os fótons do núcleo se tornam extremamente energéticos, eles podem se transformar em um par de elétrons e antielétrons. Esses pares geram menos pressão do que os fótons, fazendo com que a estrela se torne instável contra o colapso gravitacional, e a explosão resultante é forte o suficiente para não deixar nada para trás. Estrelas ainda mais massivas, acima de 200 massas solares, eventualmente colapsariam diretamente em um buraco negro de pelo menos 120 massas solares. Uma estrela em colapso, então, não deve ser capaz de produzir um buraco negro entre aproximadamente 65 e 120 massas solares - um intervalo conhecido como "intervalo de massa de instabilidade de par".
Mas agora, o mais pesado dos dois buracos negros que produziram o sinal GW190521, a 85 massas solares, é o primeiro até agora detectado dentro da lacuna de massa de instabilidade do par.
“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”, diz Christensen, que é o diretor do Laboratório Artemis no Observatório de Nice na França.
Uma possibilidade, que os pesquisadores consideram em seu segundo artigo, é de uma fusão hierárquica, na qual os próprios dois buracos negros progenitores podem ter se formado a partir da fusão de dois buracos negros menores, antes de migrarem juntos e eventualmente se fundirem.
“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”.
"Algo inesperado"
Existem muitas perguntas restantes sobre GW190521.
Enquanto os detectores LIGO e Virgo escutam as ondas gravitacionais passando pela Terra, buscas automatizadas vasculham os dados de entrada em busca de sinais interessantes. Essas pesquisas podem usar dois métodos diferentes: algoritmos que identificam padrões de onda específicos nos dados que podem ter sido produzidos por sistemas binários compactos; e pesquisas “explosivas” mais gerais, que essencialmente procuram por algo fora do comum.
Salvatore Vitale, membro do LIGO, professor assistente de física no MIT, compara pesquisas binárias compactas a "passar um pente pelos dados, que pegará as coisas em um determinado espaçamento", em contraste com pesquisas em rajada que são mais de uma abordagem "pega-tudo".
No caso do GW190521, foi uma busca em rajada que captou o sinal um pouco mais claramente, abrindo a chance muito pequena de que as ondas gravitacionais surgissem de algo diferente de uma fusão binária.
“O nível de exigência para afirmar que descobrimos algo novo é muito alto”, diz Weinstein. “Então, normalmente aplicamos a navalha de Occam: a solução mais simples é a melhor, que neste caso é um buraco negro binário”.
Mas e se algo inteiramente novo produzisse essas ondas gravitacionais? É uma perspectiva tentadora, e em seu artigo os cientistas consideram brevemente outras fontes no universo que podem ter produzido o sinal que detectaram. Por exemplo, talvez as ondas gravitacionais tenham sido emitidas por uma estrela em colapso em nossa galáxia. O sinal também pode ser de uma cadeia cósmica produzida logo após o universo inflar em seus primeiros momentos - embora nenhuma dessas possibilidades exóticas corresponda aos dados, bem como uma fusão binária.
“Desde que ligamos o LIGO pela primeira vez, tudo o que observamos com confiança foi uma colisão de buracos negros ou estrelas de nêutrons”, disse Weinstein. “Este é o único evento em que nossa análise permite a possibilidade de que esse evento não seja tal colisão. Embora este evento seja consistente com ser de uma fusão de buraco negro binário excepcionalmente massivo, e explicações alternativas sejam desfavorecidas, ele está ultrapassando os limites de nossa confiança. E isso potencialmente o torna extremamente emocionante. Porque todos esperamos por algo novo, algo inesperado, que possa desafiar o que já aprendemos. Este evento tem potencial para fazer isso”.
Esta pesquisa foi financiada pela US National Science Foundation.
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