Dois buracos negros se encontraram por acaso e criaram algo nunca visto antes

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Uma simulação numérica da curvatura do espaço-tempo durante a fusão que produziu GW190521. (Créditos: AG Bernuzzi/Universidade de Jena)

Traduzido por Julio Batista
Original de Michelle Starr para o ScienceAlert

As ondulações no espaço-tempo geradas pela colisão de buracos negros nos ensinaram muito sobre esses objetos enigmáticos.

Essas ondas gravitacionais codificam informações sobre os buracos negros: suas massas, a forma de sua espiral interna em uma em direção à outra, suas rotações e suas orientações.

A partir disso, os cientistas verificaram que a maioria das colisões que vimos foram entre buracos negros em sistemas binários. Os dois buracos negros começaram como um sistema binário de estrelas massivas que se transformaram em buracos negros juntos, depois espiralaram e se fundiram.

Das cerca de 90 fusões detectadas até agora, porém, uma se destaca por ser muito peculiar. Detectado em maio de 2019, o GW19052 emitiu ondulações no espaço-tempo como nenhuma outra.

“Sua morfologia e estrutura que se assemelha a uma explosão são muito diferentes das observações anteriores”, disse a astrofísica Rossella Gamba, da Universidade de Jena, na Alemanha.

Ela acrescentou: “GW190521 foi inicialmente analisado como a fusão de dois buracos negros pesados ​​de rotação rápida que se aproximam ao longo de órbitas quase circulares, mas suas características especiais nos levaram a propor outras interpretações possíveis”.

Em particular, a duração curta e acentuada do sinal da onda gravitacional foi difícil de explicar.

As ondas gravitacionais são geradas pela fusão real de dois buracos negros, como ondulações na água de uma rocha jogada em um lago. Mas elas também são geradas pela inspiração binária, e a intensa interação gravitacional envia ondulações mais fracas à medida que dois buracos negros se aproximam inexoravelmente.

“A forma e a brevidade – menos de um décimo de segundo – do sinal associado ao evento nos levam a supor uma fusão instantânea entre dois buracos negros, que ocorreu na ausência de uma fase espiral”, explicou o astrônomo Alessandro Nagar, do Instituição Nacional de Física Nuclear na Itália.

Há mais de uma maneira de um par de buracos negros acabar interagindo gravitacionalmente.

A primeira é que os dois estiveram juntos por muito tempo, talvez até desde a formação de estrelas bebês do mesmo pedaço de nuvem molecular no espaço.

A outra é quando dois objetos se movendo pelo espaço passam perto o suficiente para ficarem presos gravitacionalmente no que é conhecido como um encontro dinâmico.

Isso é o que Gamba e seus colegas pensaram que poderia ter acontecido com GW190521, então eles projetaram simulações para testar sua hipótese. Eles juntaram pares de buracos negros, ajustando parâmetros como trajetória, rotação e massa, para tentar reproduzir o estranho sinal de onda gravitacional detectado em 2019.

Seus resultados sugerem que os dois buracos negros não começaram em um sistema binário, mas foram pegos na teia gravitacional um do outro, passando um pelo outro duas vezes em um loop excêntrico e extremo antes de colidir para formar um buraco negro maior. E nenhum dos buracos negros neste cenário estava girando.

“Ao desenvolver modelos precisos usando uma combinação de métodos analíticos de última geração e simulações numéricas, descobrimos que uma fusão altamente excêntrica neste caso explica a observação mais precisa do que qualquer outra hipótese apresentada anteriormente”, disse o astrônomo Matteo Breschi, da Universidade de Jena.

“A probabilidade de erro é de 1:4.300!”

Este cenário, disse a equipe, é mais provável em uma região densamente povoada do espaço, como um aglomerado de estrelas, onde tais interações gravitacionais são mais prováveis.

Isso acompanha as descobertas anteriores sobre GW190521. Um dos buracos negros na fusão foi medido em cerca de 85 vezes a massa do Sol.

De acordo com nossos modelos atuais, buracos negros com mais de 65 massas solares não podem se formar a partir de uma única estrela; a única maneira que sabemos que um buraco negro dessa massa pode se formar é por meio de fusões entre dois objetos de massa menor.

O trabalho de Gamba e seus colegas descobriu que as massas dos dois buracos negros na colisão estão em torno de 81 e 52 massas solares; isso é um pouco menor do que as estimativas anteriores, mas um dos buracos negros ainda está fora do caminho de formação do colapso do núcleo de uma única estrela.

Ainda não está claro se nossos modelos precisam de ajustes, mas fusões hierárquicas – em que estruturas maiores se formam por meio da fusão contínua de objetos menores – são mais prováveis ​​em um ambiente de um aglomerado com uma grande população de objetos densos.

Encontros dinâmicos entre buracos negros são considerados bastante raros, e os dados de ondas gravitacionais coletados pelo LIGO e pelo Virgo até o momento parecem sustentar isso. No entanto, raro não significa impossível, e o novo trabalho sugere que GW190521 pode ser o primeiro que detectamos.

E uma primeira detecção significa que pode haver mais nos próximos anos. Os observatórios de ondas gravitacionais estão sendo atualizados e preparados, mas ficarão disponíveis novamente em março de 2023 para uma nova execução de observação. Desta vez, os dois detectores do LIGO nos EUA e o detector Virgo na Itália serão acompanhados pelo KAGRA no Japão para obter ainda mais poder de observação.

Mais detecções como GW190521 seriam incríveis.

A pesquisa foi publicada na Nature Astronomy.