Explicado: dois buracos negros se fundiram bilhões de anos atrás, mas isso é intrigante para os cientistas agora

LIGO e Virgo detectam sinais de ondas gravitacionais liberadas na fusão. Um dos dois buracos negros originais tinha uma massa intermediária incomum, o que desafia o conhecimento científico tradicional. O que geralmente se entende e o que explica esse tamanho incomum?

Conceito artístico que ilustra um esquema hierárquico para fusão de buracos negros. (Crédito: LIGO / Caltech / MIT / R Hurt [IPAC])

Bilhões de anos atrás, uma colisão entre dois buracos negros enviou ondas gravitacionais através do universo. Em 2019, os sinais dessas ondas eram detectado no observatório de ondas gravitacionais LIGO (Estados Unidos) e o detector Virgo (Itália).

O que entusiasmou os cientistas, no entanto, é a massa de um dos buracos negros originais, que desafia o conhecimento tradicional de como os buracos negros são formados.

A descoberta e a análise são descritas em dois artigos de pesquisa. Um, em Cartas de revisão física , detalha a descoberta e propõe possíveis formas em que a fusão incomum pode ter ocorrido. O outro papel, em The Astrophysical Journal Letters , discute as propriedades físicas do sinal.

O que exatamente foi detectado?

Foi um sinal de uma onda gravitacional, um campo relativamente novo de descoberta. As ondas gravitacionais são ondulações invisíveis que se formam quando uma estrela explode em uma supernova; quando duas grandes estrelas orbitam uma a outra; e quando dois buracos negros se fundem. Viajando na velocidade da luz, as ondas gravitacionais comprimem e esticam qualquer coisa em seu caminho.

As ondas gravitacionais foram propostas por Albert Einstein em sua Teoria da Relatividade Geral há mais de um século. Foi apenas em 2015, porém, que a primeira onda gravitacional foi realmente detectada - pelo LIGO. Desde então, houve uma série de detecções subsequentes de ondas gravitacionais.

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O sinal detectado no LIGO e em Virgo, conforme descrito pela Colaboração LIGO, lembrava cerca de quatro meneios curtos e durava menos de um décimo de segundo.

De onde veio?

A análise subsequente sugeriu que GW190521 provavelmente foi gerado por uma fusão de dois buracos negros. O sinal provavelmente representou o instante em que os dois se fundiram. Foi calculado que veio de cerca de 17 bilhões de anos-luz de distância, e de uma época em que o universo tinha cerca de metade de sua idade.

Mas essas descobertas levaram a outras questões. Um dos dois buracos negros que se fundem cai em uma faixa de massa intermediária - um desajuste que não pode ser explicado pelo conhecimento tradicional de como os buracos negros se formam.

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Por que é incomum?

Todos os buracos negros observados até agora pertencem a uma de duas categorias. Uma categoria varia entre algumas massas solares (uma massa solar é a massa do nosso Sol) e dezenas de massas solares. Acredita-se que eles se formem quando estrelas massivas morrem.

A outra categoria é de buracos negros supermassivos. Estes variam de centenas de milhares a bilhões de vezes mais do que o nosso sol.

De acordo com o conhecimento tradicional, estrelas que poderiam dar origem a buracos negros entre 65 e 120 massas solares não o fazem - estrelas nesta faixa explodem quando morrem, sem colapsar em um buraco negro.

Mas na fusão que levou ao sinal GW190521, o buraco negro maior tinha 85 massas solares - bem dentro desta faixa inesperada, conhecida como gap de massa de instabilidade de par. É o primeiro buraco negro de massa intermediária já observado. (Na verdade, o buraco negro menor também está no limite, com 66 massas solares.)

Os dois se fundiram para criar um novo buraco negro de cerca de 142 massas solares. Energia equivalente a oito massas solares foi liberada na forma de ondas gravitacionais, levando à onda mais forte já detectada pelos cientistas até agora.

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Como o buraco negro de massa incomum pode ter se formado?

Os pesquisadores sugerem que o buraco negro de 85 massas solares não foi o produto de uma estrela em colapso, mas sim o resultado de uma fusão anterior. Formado por uma colisão entre dois buracos negros, é provável que o novo buraco negro então se fundiu com o buraco negro de 66 massas solares - levando a ondas gravitacionais e ao sinal recebido pelo LIGO e Virgo.

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