Astrônomos detectam um ‘tsunami’ de ondas gravitacionais. Eis de onde elas vêm

0
50
Simulação de uma fusão de buraco negros. Créditos: N. Fischer / H. Pfeiffer / A. Buonanno / Colaboração do Insituto Max Planck-SXS.

Por Michelle Starr
Publicado na ScienceAlert

A mais recente série de observações de ondas gravitacionais rendeu o maior registro até agora.

Em menos de cinco meses, de novembro de 2019 a março de 2020, os interferômetros da LIGO-Virgo registraram massivos 35 eventos de ondas gravitacionais. Em média, são quase 1,7 eventos de ondas gravitacionais todas as semanas durante o processo.

Isso representa um aumento significativo da média semanal de 1,5 evento detectada na série de observações anterior, e um resultado que aumentou o número de eventos totais para 90 desde a primeira detecção de onda gravitacional que fez história em setembro de 2015.

“Essas descobertas representam um aumento de dez vezes no número de ondas gravitacionais detectadas pelo LIGO e Virgo desde que começamos a observar”, disse a astrofísica Susan Scott, da Universidade Nacional da Austrália. “Detectamos 35 eventos. Isso é grandioso! Em contraste, fizemos três detecções em nossa primeira série de observações, que durou quatro meses em 2015-16. Esta é realmente uma nova era para detecções de ondas gravitacionais e o crescente número de descobertas está revelando diversas informações sobre a vida e morte de estrelas em todo o Universo”.

Das 35 novas detecções, 32 são provavelmente o resultado de fusões de buracos negros. É quando pares de buracos negros em uma órbita próxima são atraídos por gravidade mútua, eventualmente colidindo para formar um único buraco negro mais massivo.

Essa colisão envia ondas através do espaço-tempo, como as ondas geradas quando você joga uma pedra em um lago; astrônomos podem analisar essas ondulações para determinar as propriedades dos buracos negros.

Um infográfico mostrando as massas de todas as fusões de buracos negros detectadas até o momento. Créditos: LIGO-Virgo / Aaron Geller / Universidade do Noroeste.

Os dados revelaram uma gama de massas de buracos negros, com o mais massivo tendo cerca de 87 vezes a massa do Sol. Esse buraco negro se fundiu com um companheiro 61 vezes a massa do Sol, resultando em um único buraco negro 141 vezes a massa do Sol. Esse evento é denominado GW200220_061928.

Outra fusão produziu um buraco negro 104 vezes a massa do Sol; ambos são considerados buracos negros de massa intermediária, uma faixa de massa entre 100 e cerca de um milhão de massas solares, na qual muito poucos buracos negros foram detectados.

GW200220_061928 também é interessante, porque pelo menos um dos buracos negros envolvidos na fusão fica no que chamamos de lacuna de massa superior. De acordo com nossos modelos, buracos negros com mais de 65 massas solares não podem se formar a partir de uma única estrela, como fazem os buracos negros de massa estelar.

Isso porque as estrelas precursoras são tão massivas que suas supernovas – conhecidas como supernovas com instabilidade de pares – deveriam obliterar completamente o núcleo estelar, não deixando nada para trás para colapsar gravitacionalmente em um buraco negro.

Isso sugere que o buraco negro de 87 massas solares pode ser o produto de uma fusão anterior. GW200220_061928 não é o primeiro a envolver um buraco negro na lacuna de massa superior, mas sua detecção sugere que as fusões hierárquicas de buracos negros não são incomuns.

E outro evento inclui um objeto na lacuna de massa inferior – uma lacuna de buracos negros entre 2,5 e 5 vezes a massa do Sol. Não encontramos conclusivamente uma estrela de nêutrons maior que a primeira, ou um buraco negro menor que o último; o evento denominado GW200210_092254 envolveu um objeto com cerca de 2,8 massas solares. Os astrônomos concluíram que provavelmente é um buraco negro muito pequeno.

“Olhar para as massas e spins dos buracos negros nesses sistemas binários indica como esses sistemas se uniram em primeiro lugar”, disse Scott. “Isso também levanta algumas questões realmente fascinantes. Por exemplo, o sistema se formou originalmente com duas estrelas que passaram por seus ciclos de vida juntas e eventualmente se tornaram buracos negros? Ou os dois buracos negros foram colocados juntos em um ambiente dinâmico muito denso como em o centro de uma galáxia?”

Os outros três eventos entre os 35 envolveram um buraco negro e algo muito menos massivo, provavelmente uma estrela de nêutrons. Esses eventos são de grande interesse para os astrônomos, uma vez que podem revelar as coisas que estão dentro de uma estrela de nêutrons – se algum dia detectarmos uma que emita luz. Ao descobrir mais dessas fusões, podemos começar a compreender melhor como elas realmente ocorrem.

“Só agora estamos começando a apreciar a maravilhosa diversidade de buracos negros e estrelas de nêutrons”, disse o astrônomo Christopher Berry, da Universidade de Glasgow, no Reino Unido. “Nossos resultados mais recentes provam que eles vêm em muitos tamanhos e combinações – nós resolvemos alguns mistérios antigos, mas descobrimos alguns novos quebra-cabeças também. Usando essas observações, estamos mais perto de desvendar os mistérios de como as estrelas, os blocos de construção de nosso Universo, evoluem”.

O estudo da equipe foi submetido para publicação e pode ser encontrado no servidor de pré-publicação arXiv.