Os astrônomos detectaram a colisão mais poderosa, mais distante e mais desconcertante de buracos negros usando ondas gravitacionais. Dos dois gigantes que se fundiram quando o Universo tinha metade de sua idade atual, pelo menos um – pesando 85 vezes mais que o Sol – tem uma massa considerada muito grande para ser envolvida em tal evento. E a fusão produziu um buraco negro de quase 150 massas solares, estimaram os pesquisadores, colocando-o em uma faixa onde nenhum buraco negro jamais havia sido visto antes.

“Tudo sobre essa descoberta é estonteante”, diz Simon Portegies Zwart, astrofísico computacional da Universidade de Leiden, na Holanda. Em particular, diz ele, confirma a existência de buracos negros de “massa intermediária”: objetos muito mais massivos do que uma estrela típica, mas não tão grandes quanto os buracos negros supermassivos que habitam os centros das galáxias.

Ilya Mandel, astrofísica teórica da Monash University em Melbourne, Austrália, chama a descoberta de “maravilhosamente inesperada”.

O evento, descrito em dois artigos publicados em 2 de Setembro 1 , 2 , foi detectado em 21 de Maio 2019, pelos detectores gêmeas do Interferometer Gravitational-Wave Observatory Laser (LIGO) nos Estados Unidos e pela menor observatório Virgo perto de Pisa, Itália. É denominado GW190521 após sua data de detecção.

Missas proibidas

Desde 2015, LIGO e Virgo forneceram novos insights sobre o cosmos ao sentir as ondas gravitacionais. Essas ondulações na estrutura do espaço-tempo podem revelar eventos como a fusão de buracos negros que normalmente não seriam visíveis com telescópios comuns.

A partir das propriedades das ondas gravitacionais, como a forma como mudam de altura, os astrofísicos podem estimar os tamanhos e outras características dos objetos que as produziram à medida que giravam em espiral. Isso revolucionou o estudo dos buracos negros, fornecendo evidências diretas para dezenas desses objetos, variando em massa de algumas a cerca de 50 vezes a massa do Sol.

Essas massas são consistentes com buracos negros que se formaram de forma “convencional” – quando uma estrela muito grande fica sem combustível para queimar e colapsa sob seu próprio peso. Mas a teoria convencional diz que o colapso estelar não deve produzir buracos negros entre cerca de 65 e 120 massas solares. Isso porque, no final de suas vidas, estrelas em uma determinada faixa de tamanhos ficam tão quentes em seus centros que começam a converter fótons em pares de partículas e antipartículas – fenômeno denominado instabilidade de pares. Isso desencadeia a fusão explosiva de núcleos de oxigênio, que destroem a estrela, desintegrando-a completamente.

Em sua última descoberta, os detectores LIGO e Virgo detectaram apenas as últimas quatro ondulações produzidas pelos buracos negros em espiral, com uma frequência que subiu de 30 a 80 Hertz em um décimo de segundo. Enquanto buracos negros relativamente menores continuam a ‘chilrear’ até frequências mais altas, os muito grandes se fundem mais cedo e mal entram na extremidade inferior da faixa de frequência à qual os detectores são sensíveis.

Neste caso, os dois objetos foram estimados para pesar em torno de 85 e 66 massas solares. “Isso está perfeitamente na faixa que se esperaria que a lacuna de massa de instabilidade do par deveria estar”, diz o astrofísico do LIGO Christopher Berry da Northwestern University em Evanston, Illinois.

Selma de Mink, uma astrofísica da Universidade Harvard em Cambridge, Massachusetts, coloca o corte para a instabilidade do par ainda mais baixo, talvez em 45 massas solares, o que empurraria o isqueiro dos dois objetos firmemente para a zona proibida também. “Para mim, os dois buracos negros são desconfortavelmente massivos”, diz ela.

Buracos negros não convencionais

Para explicar suas observações, os pesquisadores do LIGO consideraram uma gama de possibilidades, incluindo que os buracos negros existiam desde o início dos tempos. Durante décadas, os pesquisadores conjeturaram que esses buracos negros “primordiais” poderiam ter se formado espontaneamente em uma ampla gama de tamanhos logo após o Big Bang.

O cenário principal que a equipe contemplou é que os buracos negros ficaram tão grandes porque eles próprios foram o resultado de fusões anteriores de buracos negros. Os buracos negros resultantes do colapso estelar devem proliferar dentro de aglomerados estelares densos e, em princípio, podem sofrer fusões repetidas. Mas mesmo esse cenário é problemático porque, após uma primeira fusão, o buraco negro resultante deve tipicamente receber um chute das ondas gravitacionais e se ejetar do aglomerado. Apenas em casos raros o buraco negro ficaria em uma área onde poderia sofrer outra fusão.

As sucessivas fusões seriam mais prováveis ​​se os buracos negros habitassem a aglomerada região central de sua galáxia, diz de Mink, onde a gravidade é forte o suficiente para evitar que objetos retrocedentes sejam disparados.

Não se sabe em qual galáxia ocorreu a fusão. Mas mais ou menos na mesma região do céu, uma equipe de pesquisadores avistou um quasar – um centro galáctico extremamente brilhante alimentado por um buraco negro supermassivo – passando por uma erupção cerca de um mês após GW190521 3 . A erupção pode ter sido uma onda de choque no gás quente do quasar produzido pelo buraco negro recuando, embora muitos astrônomos sejam cautelosos em aceitar que os dois fenômenos estão relacionados.

Esta é a segunda vez este ano que a colaboração LIGO-Virgo entrou em uma faixa de massa ‘proibida’: em junho, eles descreveram uma fusão envolvendo um objeto de cerca de 2,6 massas solares – tipicamente considerado leve demais para ser um buraco negro, mas também massiva para ser uma estrela de nêutrons 4 .