A fusão mais pesada do buraco negro diminui uma lacuna proibida

A maior fusão do buraco negro está ganhando manchetes e desafiando as expectativas dos astrônomos. O evento recorde envolveu buracos negros com massas cerca de 100 vezes o do Sol, uma variedade em que o processo de formação convencional de colapso estelar é considerado impossível. As novas observações – relatadas no início desta semana – sugerem que alguns buracos negros se formam através de um cenário multimerger (1).

Desde a primeira detecção de fusão em 2015, cerca de 300 fusões negras foram observadas pela colaboração Ligo-Virgo-Kagra (LVK), uma rede de cientistas que operam detectores de ondas gravitacionais nos EUA, Europa e Japão. Quando dois buracos negros se transformam em cada um, eles criam ondulações no espaço -tempo que podem ser registradas na Terra com interferômetros altamente sensíveis. A maioria desses orifícios pretos leva a balança em cerca de 10 massas solares, um tamanho que pode ser explicado em um cenário em que uma estrela enorme fica sem combustível e cai em um buraco negro.

Mas nem todas as estrelas têm esse destino. Estrelas muito massivas de cerca de 200 massas solares são instáveis, de acordo com modelos teóricos (2). A energia dentro do núcleo dessa estrela seria tão alta que produziria pares de elétrons-fositrons, uma combinação de questão-antimatter que reduz a pressão auto-sustentável da estrela. A queda de pressão leva a uma implosão destrutiva – e nenhuma probability de a estrela atingir um last de buraco negro. A implicação é que o colapso estelar não pode produzir buracos negros na faixa de massa entre cerca de 60 e 130 massas solares.

No entanto, em 2019, a colaboração LVK detectou uma fusão de buracos negros cujas massas medidas – 65 e 85 massas solares – estavam na extremidade inferior da lacuna (ver Ponto de vista: uma fusão de peso pesado). Essa observação surpreendente levou a especulações sobre cenários alternativos de formação de buracos negros, mas como a faixa de massa prevista para a lacuna period incerta, permaneceu possível que esses orifícios negros se formassem através de algum cenário de colapso estelar modificado.

Agora, a colaboração LVK aumentou as apostas detectando dois buracos negros mais pesados, com um diretamente na lacuna. “Este evento fornece boas evidências de que os buracos negros na lacuna em massa podem existir”, diz o porta -voz da Ligo Scientific Collaboration, Stephen Fairhurst, da Universidade de Cardiff, no Reino Unido.

O novo evento, que se chama GW231123, foi observado em novembro de 2023 pelos dois observatórios do Ligo nos EUA. O sinal de onda gravitacional estava na faixa de baixa frequência dos detectores, o que implica que os buracos negros estavam no lado pesado. O sinal também foi curto-apenas um quinto de segundo-que complicou a interpretação, diz Sophie Bini, membro da LVK, da Caltech. A colaboração usa os chamados modelos de forma de onda para determinar parâmetros como massa, orientação orbital e distância. “A análise é mais incerta porque você tem menos informações para começar”, diz Bini.

O melhor ajuste acabou sendo uma fusão de dois buracos negros com massas de 103 e 137 massas solares, com o buraco negro resultante pesando 225 massas solares. Devido à brevidade do sinal, os pesquisadores não conseguiram identificar o native no céu onde o evento aconteceu. Bini apresentou esses resultados na segunda -feira na reunião de Gr -Amaldi em Glasgow, na Escócia.

“Esta é realmente uma notícia emocionante!” diz Davide Gerosa, astrofísico da Universidade de Milano-Bicocca, na Itália, que não esteve envolvido no estudo. “Com o primeiro evento de onda gravitacional, agora há 10 anos, ficamos surpresos com o fato de existirem buracos negros de 30 massas solares. Agora temos buracos negros de mais de 100 massas solares, o que é apenas espetacular”.

A questão se torna: como esses golias podem se formar? “Um cenário possível é que esses buracos negros se originam de fusões hierárquicas”, diz Bini. Este modelo pressupõe que as gerações anteriores de fusões criem buracos negros altamente maciços que se fundem com outros pesos pesados. “É como uma árvore genealógica de buracos negros”, diz Bini. Um desafio para esse modelo é ter festas negros mesclados se encontram. Normalmente, um evento de fusão dá um chute de recuo para o buraco negro last, o que pode fazer com que ele voe para fora de regiões ricas em estrelas, onde seriam esperados outros fusões, explica Bini.

Uma possível pista relacionada à fusão hierárquica é a rotação, ou “rotação”, dos orifícios pretos ao redor de seus eixos. No cenário padrão de colapso estelar, os dois orifícios negros que mesciam formados em um sistema binário, de modo que seus rotações estão alinhados e relativamente pequenos. De fato, a maioria das fusões registradas pela colaboração LVK possui pequenos valores de rotação para os dois buracos negros. No entanto, o buraco negro last – aquele que resulta da fusão – deve ter um valor de rotação relativamente grande (3). Isso ocorre porque essencialmente assimila todo o momento angular orbital do movimento orbital rápido da fusão de buracos negros, explica Gerosa.

Os pesquisadores determinaram as rodadas dos dois orifícios negros para GW231123. E embora os valores tenham grandes incertezas (cerca de 20% a 50%), ambos os objetos parecem estar girando perto dos valores máximos permitidos: um com 80% do máximo e o outro a 90%. Tais rotações altas sugerem que esses buracos negros foram criados em fusões anteriores. No entanto, Gerosa ressalta que os valores de rotação observados são realmente um pouco altos demais. “A previsão típica de giros no cenário hierárquico de fusão é de cerca de 70%”, diz ele. Mas ele especula que as estimativas para os giros observados podem descer um pouco à medida que os modeladores analisam ainda mais os dados.

Outra possibilidade de que a colaboração LVK considere é que uma estrela enorme se funde com outra estrela-abrangendo a instabilidade da criação de pares. Mas esses modelos têm dificuldade em explicar os grandes valores de rotação que a equipe observa.

Mesmo que os cientistas permaneçam incertos sobre como esses buracos negros se formaram, eles poderão discernir onde se formaram, diz o teórico Rosalba Perna, da Universidade Stony Brook, em Nova York, que também não estava envolvido no estudo. Ela diz que a fusão GW231123 provavelmente ocorreu em um ambiente em que a densidade das estrelas é alta o suficiente para que as interações do buraco negro sejam frequentes ou onde o meio circundante é denso o suficiente para que os orifícios negros possam acumular muito materials adicional. “Os discos dos núcleos galácticos ativos vêm à mente”, diz ela.

–Michael Schirber

Michael Schirber é um editor correspondente para Revista de Física Sediada em Lyon, França.

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