Fusão estranha entre buracos negros pode ser explicada por "bilhar cósmico"

A presença de um buraco negro supermassivo com um disco de gás ao seu redor pode explicar uma das detecções de ondas gravitacionais mais enigmáticas já vistas. De acordo com um novo estudo, os problemas não resolvidos sobre a colisão entre dois buracos negros estão prestes a serem solucionados.

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Em 2019, sinais de ondas gravitacionais foram detectados pelos instrumentos sensíveis do Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), relevando a colisão entre dois buracos negros. O problema é que esse evento, conhecido como GW190521, também mostra buracos negros de massa acima do normal — um de 85 e outro de 66 massas solares.

Acontece que esses buracos negros simplesmente não deviam existir, pois esse tipo de objeto é formado a partir do colapso de uma estrela que não pode ter mais que cerca de 65 massas solares. A simples existência deles consegue tirar o sono de qualquer físico teórico.

Para explicar a origem do GW190521, algumas hipóteses propuseram coisas como um aglomerado de pequenos buracos negros que se fundiram até chegar aos objetos de 66 e 85 massas solares. Mas nenhuma delas foi comprovada.

Havia outras coisas estranhas nos sinais do GW190521. No total, as características inexplicáveis vistas nas ondas gravitacionais foram:

• A massa “impossível” dos dois buracos negros
• A fusão dos buracos negros produziu um flash de luz
• Os buracos negros estavam em órbita elíptica ao redor de um centro gravitacional em comum

Este último aspecto é intrigante, porque a matemática por trás das ondas gravitacionais mostram que elas ajudam um sistema binário de buracos negros a orbitar em um círculo mais ou menos perfeito, e não uma elipse. As fusões de objetos em órbita elíptica (ou órbita excêntrica, em termos técnicos) não deviam acontecer (ou deviam ser muito raras), mas foi isso que os astrônomos encontraram.

Um sistema de buracos negros mais complexo

O novo estudo, entretanto, sugere uma interpretação um pouco diferente do que pode ter acontecido: os buracos negros não estavam sozinhos no universo, mas orbitavam um buraco negro supermassivo no centro de sua galáxia.

Além disso, o objeto supermassivo com um disco de gás girando ao redor em alta velocidade desempenharia um papel importante na captura de buracos negros menores. Com o tempo, eles se aproximariam do centro e, por consequência, ficaram mais perto um do outro.

Isso não apenas implica que eles se encontrariam para formar um sistema binário, mas também que esse par pode interagir com um terceiro buraco negro, levando a uma dança caótica. Por outro lado, é muito difícil que um sistema assim resulte em uma fusão.

Sistemas de órbita entre três objetos são extremamente difíceis de calcular e levam a comportamentos imprevisíveis. Mas essa complexidade ocorre quando estamos em um espaço tridimensional.

É aqui onde entra outro aspecto interessante do novo artigo: eles consideraram um movimento no plano orbital ao redor desse buraco negro supermassivo. Isso significa que, agora, estamos lidando com apenas duas dimensões.

Surpreendentemente, a equipe descobriu que, em um plano bidimensional, a probabilidade de uma fusão excêntrica (com os objetos em órbita não circular) aumenta em até 100 vezes. Com isso, metade de todas as fusões de buracos negros em discos ao redor de buracos negros supermassivos possivelmente seriam excêntricas.

De acordo com os autores, “essa descoberta se encaixa incrivelmente bem com a observação de 2019, que aponta agora na direção de que as propriedades espetaculares dessa fonte não são tão estranhas”. Isto é, caso a fusão tenha acontecido em um disco de gás plano em torno de um buraco negro supermassivo.

A explicação também resolve os outros problemas do evento GW190521 — as massas dos buracos negros poderiam ser possíveis porque os objetos passaram por sucessivas fusões no interior do disco, antes de finalmente se chocarem. Além disso, a emissão de luz poderia se originar do gás no disco.

O trabalho da equipe de pesquisadores pode trazer novas descobertas no estudo de sistemas binários de buracos negros. Se o evento GW190521 de fato ocorreu em um disco plano, as chances de que essa pesquisa esteja correta. Mas esse é apenas o início dos estudos nessa direção e ainda há muito para investigar.

A pesquisa foi publicada na Nature.

Fonte: University of Copenhagen