Astrônomos descobriram um buraco negro tão grande que não deveria existir

ESO/M. Kornmesser

Impressão artística de uma galáxia a formar estrelas no seio dos poderosos jatos de matéria que são lançados a partir do buraco negro supermassivo situado no núcleo da galáxia.

Uma das melhores coisas de ser um astrofísico é que você continua descobrindo coisas que não pensava que fossem possíveis. Agora, o Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro a Laser (LIGO) e o Observatório Virgo descobriram seu maior buraco negro até agora. É importante porque os cientistas de fato duvidaram da existência de buracos negros dessa massa.

Após meses de análise meticulosa, a equipe acaba de relatar sua descoberta em artigos na Physical Review Letters e no Astrophysical Journal Letters.

O buraco negro foi descoberto porque sua fusão com um companheiro ligeiramente menos massivo emitiu ondas gravitacionais. Essas são ondulações no espaço-tempo que podem ser detectadas na Terra – os ecos de violentas colisões cósmicas que, neste caso, aconteceram bilhões de anos atrás.

A descoberta é extremamente importante do ponto de vista de pesquisa. Também conclui uma aposta entre os astrofísicos. Em fevereiro de 2017, vários de nós nos encontramos no Aspen Center for Physics no Colorado, EUA. Estávamos ansiosos para discutir os resultados que já tínhamos do LIGO. Mas também estávamos ansiosos por futuras descobertas e discutindo sobre como pares de buracos negros realmente se fundem.

Havia várias ideias em discussão. Uma era que pares de estrelas massivas gradualmente evoluem lado a lado até que ambas entram em colapso em buracos negros e, por fim, se fundem. Outra era que buracos negros até então desconhecidos podem ser reunidos pelo empurrão de uma multidão de outras estrelas em densas regiões estelares. Mas qual é o processo principal? Reuni vários participantes para fazer uma aposta, conforme mostra a foto abaixo.

Mortes estelares violentas

No final de suas vidas — quando as estrelas ficam sem combustível nuclear e não têm mais pressão de suporte para conter sua própria gravidade — elas entram em colapso. Estrelas de baixa massa, incluindo nosso Sol, eventualmente se tornam fantasmas estelares tênues conhecidos como “anãs brancas”. Estrelas que começam a vida mais pesadas do que cerca de oito vezes a massa do Sol tornam-se objetos incrivelmente densos e pequenos chamados estrelas de nêutrons [quando morrem]. E estrelas realmente massivas com mais de 20 massas solares no nascimento tornam-se buracos negros, com massas finais de até 40 massas solares.

Mas há muito se conjectura que algo estranho aconteceria com estrelas muito massivas, talvez aquelas com massas iniciais entre 130 e 250 massas solares, cujos centros ficam realmente quentes (cerca 17,5 milhões de graus Celsius) no final de sua evolução. A luz que fica refletindo no interior dessas estrelas, e o fornecimento de grande parte do suporte a pressão, é tão energética que pode se transformar em pares de elétrons e pósitrons (pósitrons são as contrapartes de antimatéria do elétron; eles são quase idênticos, mas têm carga oposta).

Isso, por sua vez, torna a estrela instável: a pressão cai repentinamente, o centro da estrela se contrai e se aquece e a fusão nuclear descontrolada faz com que toda a estrela exploda em uma supernova brilhante de “instabilidade de par”, não deixando nenhum vestígio para trás.

Isso significa que, se todos os buracos negros em pares que se fundem foram criados por estrelas em colapso, não deveria haver buracos negros com massas entre cerca de 55 e 130 massas solares; as estrelas que poderiam ter produzido tais remanescentes teriam terminado suas vidas em explosões que não deixam nada para trás. Buracos negros mais massivos, no entanto, podem ser formados a partir de estrelas ainda mais pesadas (de mais de 250 massas solares) que não sofrem a mesma fusão nuclear descontrolada e colapsam completamente em buracos negros.

Mas este não seria o caso de buracos negros se fundindo em uma multidão. Quando dois buracos negros se fundem, eles criam outro buraco negro, quase tão pesado quanto a soma de suas massas. Se esse buraco negro permanecer no ambiente denso, ele pode se fundir novamente, dando origem a buracos negros ainda mais massivos de uma variedade de tamanhos, preenchendo a lacuna de massa. Foi o que nos levou a assinar esta aposta em Aspen: encontraríamos ou não um buraco negro em fusão com massa entre 55 e 130 massas solares?

Preenchendo a lacuna (massa)

GW190521 é uma fusão de dois buracos negros muito massivos, o mais pesado de todos os observados até agora por meio de ondas gravitacionais. O mais pesado, medido entre 71 e 106 massas solares (com 90% de confiança), cai diretamente na lacuna de massa. Isso parece sugerir que os buracos negros de fato se fundem repetidamente.

Eu não estava envolvido nesta medição maravilhosa. Mas, por uma coincidência fortuita, tive a oportunidade de revisar um dos artigos da descoberta, o que significa que agora estou bem preparado para cumprir minhas funções como árbitro da aposta. A primeira ordem do dia é adjudicar a aposta em favor de Chatterjee e Rodriguez, bem como Fred Rasio da Northwestern University, EUA, que se juntou aos vencedores finais em um adendo depois que a aposta original foi assinada.

Parabéns aos merecidos vencedores; e que apreciem o vinho que lhes é devido além do prazer de terem razão. A aposta sendo resolvida, o próximo item da minha lista, junto com muitos outros astrofísicos ao redor do mundo, é começar a pensar sobre as implicações dessa observação revolucionária.

Esta é a demonstração definitiva de buracos negros se fundindo repetidamente em um denso aglomerado de estrelas? Poderíamos ter estimado incorretamente os limites da lacuna de massa devido à incerteza nas principais reações nucleares? A fusão poderia ter acontecido de maneiras completamente diferentes que nem sequer pensamos?

As equipes do LIGO-Virgo fizeram mais uma vez um trabalho incrível com seus instrumentos e análise de dados, obtendo um resultado maravilhosamente inesperado. Para o resto da comunidade astrofísica, a diversão de entender isso está apenas começando. É por isso que, em tais apostas científicas, todo mundo é realmente um vencedor.

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