Dois buracos negros se chocaram e resultaram na fusão mais massiva já descoberta

Foi anunciada nesta quarta-feira (2) a descoberta da onda gravitacional mais intensa já observada pela ciência. Ela é resultado da colisão entre dois buracos negros, que tinham cerca de 85 e 66 massas solares, e resultaram na formação de um novo buraco negro de 142 massas solares, provavelmente em um aglomerado estelar.

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Se você notou que a conta não fecha, já pode ter uma ideia do quanto a onda gravitacional foi intensa. É que faltam 9 massas solares no buraco negro resultante, mas elas não se perderam — nada no universo se perde, mas pode se transformar. Neste caso, essas 9 massas solares se transformaram em pura energia, irradiada na forma das ondas gravitacionais detectadas.

Além de ser o maior evento do tipo já encontrado, o novo objeto também pode ser uma peça que faltava no que sabemos sobre a evolução dos buracos negros: ele é o primeiro buraco negro intermediário detectado. Isso é algo que os cientistas estão procurando há algum tempo, mas nunca puderam encontrar. Os intermediários teriam massas grandes demais para ser produzidos pelo colapso gravitacional de uma estrela massiva, porém pequenos demais para serem classificados como buracos negros supermassivos.

A descoberta do GW190521

O anúncio foi feito pelo LIGO Scientific Collaboration e o Virgo Collaboration, ou seja, pelos grupos que utilizam os interferômetros LIGO e Virgo, criados para detectar ondas gravitacionais previstas pela teoria geral da relatividade. Foi através do LIGO que os cientistas puderam pela primeira vez detectar uma onda gravitacional, em 2016, confirmando assim as ideias de Einstein.

Foi há cerca de 7 bilhões de anos que os dois buracos negros colidiram, mas só agora os sinais das ondas incrivelmente poderosos chegaram até nós. O objeto resultante foi chamado de GW190521, e embora a descoberta tenha sido anunciada nesta quarta-feira, a detecção ocorreu em 21 de maio de 2019. Desde então, os cientistas se debruçaram sobre os dados coletados e publicaram uma série de materiais sobre a pesquisa no site do LIGO.

Durante o evento, os dois buracos negros se aproximaram e giravam rapidamente um em volta do outro, várias vezes por segundo. Quando colidiram, houve uma explosão de energia tão violenta que as ondas de choque percorreram o universo por bilhões de anos. Essas ondas são ondulações, como as que vemos na superfície de um lago ao jogar uma pedra na água — só que nesse caso, elas acontecem no tecido do espaço-tempo e viajam à velocidade da luz, espremendo e esticando o que estiver no caminho.

Essa onda gravitacional foi gerada pela energia formada por 9 massas solares. É como se 9 sóis se transformassem em pura energia explosiva. Difícil imaginar o impacto que algo assim faria no universo, mas é certo que não sobraria nada no Sistema Solar se isso acontecesse por aqui.
Mas o evento aconteceu muito longe de nós. Na verdade, o sinal detectado foi tão fraco que quase passou despercebido. Felizmente, o LIGO e Virgo conseguiram captar quatro pequenas ondas, que duraram apenas um décimo de segundo, e isso foi o suficiente para chegar às conclusões desse estudo.

Buracos negros intermediários

O buraco negro resultante tem 142 massas solares, e isso é uma grande descoberta. Os astrônomos já haviam encontrado evidências de que esse tipo de objeto poderia existir, mas nada muito concreto como uma observação real. Em 2017, por exemplo, foi encontrado algo no centro do aglomerado globular situado na constelação de Tucana, e talvez fosse um buraco negro intermediário. Em março de 2020 foi a vez do Hubble detectar algo semelhante, mas ambos são considerados apenas candidatos.

Eles são difíceis de encontrar por serem menores e menos ativos que os buracos negros supermassivos, pois vivem em galáxias e aglomerados pouco massivos e, portanto, há pouco material para se alimentar. Mas agora, com o GW190521, os pesquisadores puderam ter certeza de que estão lidando, de fato, com um buraco negro intermediário, já que houve bastante atividade para fazer as medições necessárias.

Estudar a origem e a evolução desses buracos negros de massa intermediária poderá ajudar a encontrar respostas sobre como os buracos supermassivos surgiram. “Eles são realmente o elo perdido entre [os buracos negros de] dezenas de massas solares e [os de] milhões”, disse Salvatore Vitale, professor assistente no LIGO Lab do MIT que estuda ondas gravitacionais. “Sempre foi um pouco desconcertante que as pessoas não conseguissem encontrar nada intermediário”.

Incertezas são bem-vindas

Na ciência, é preciso descartar todas as outras possibilidades antes de se tirar uma conclusão. Por isso o método científico inclui tanta pesquisa e estudos sobre cada uma dessas possibilidades, mesmo que seja para provar que ela está errada. Nesse caso, a pequena detecção também poderia vir do colapso de uma estrela, ou algum outro fenômeno. É preciso ter em mente que não podemos ver buracos negros, então só é possível saber sobre eles através de observações indiretas, ou seja, daquilo que acontece por perto deles.

Portanto, os cientistas trabalham, sim, na possibilidade de que o evento GW190521 seja alguma outra coisa. Mas a fusão de buracos negros ainda é a explicação mais simples, e geralmente a explicação mais simples é a correta. Ela é a que faz mais sentido e a que melhor interpreta os dados observados. Os astrônomos estimam que fusões como esta são muito mais raras do que as fusões de buracos negros menores que LIGO e Virgo viram anteriormente, e isso também explicaria por que demorou tanto para encontrarmos um buraco negro intermediário.

No momento, o LIGO e o Virgo não estão fazendo observações, mas ambos voltarão à ativa no final do próximo ano, após passarem por algumas melhorias para tornar seus instrumentos de detecção ainda mais sensíveis. A equipe espera encontrar mais buracos negros como este e descobrir um pouco mais sobre suas origens e suas propriedades”.

Os pesquisadores também tiveram bastante trabalho para deduzir como este buraco negro teria se formado. Mais uma vez, não é possível observar o processo diretamente, então a equipe precisou usar os dados em simulações computacionais que emulam os processos de formação de buracos negros que conhecemos atualmente. O resultado mostra que o processo mais provável é o de fusão hierárquica, pois é o que explica melhor a massa assimétrica do GW190412 e sua alta rotação. “Você faz as contas e descobre-se que o buraco negro restante teria um giro muito próximo do giro total dessa fusão”, explica Vitale.

Isso também pode dar pistas sobre o passado dos buracos negros pais. Por exemplo, se o maior deles se formou a partir de uma colisão anterior a esta, isso provavelmente gerou uma enorme quantidade de energia que teria chutado o objeto resultante por uma boa distância. Se esse chute fosse forte, o buraco negro teria deixado o aglomerado onde estava, e iria para o meio interestelar vazio, e não seria capaz de se fundir novamente. Mas não foi isso o que aconteceu, pois a nova fusão ocorreu (dessa vez para produzir o GW190412), então o chute que o pai maior recebeu ao nasceu não foi suficiente para empurrá-lo longe.

Assim, caso o GW190412 for mesmo resultado de uma fusão hierárquica, a equipe conclui que isso teria ocorrido em um ambiente com uma velocidade de escape superior a 150 quilômetros por segundo. Isso é muito maior que o ambiente espacial da maioria dos aglomerados globulares. Em outras palavras, o ambiente onde o GW190412 surgiu tinha uma imensa atração gravitacional. “Essa fusão deve ter vindo de um lugar incomum”, disse Vitale.

Todas essas dúvidas são, na verdade, empolgantes. Quando o LIGO e Virgo voltarem a fazer detecções, os cientistas poderão usar essas descobertas para novas descobertas sobre o universo antigo, e muita coisa interessante pode ser encontrada. A página dedicada à descoberta no site do LIGO contém diversos materiais sobre a pesquisa, incluindo os arquivos de áudio produzidos com sinais das ondas gravitacionais detectadas.

Fonte: LIGO, MIT (1, 2)