Uma extensa série de simulações computacionais lideradas por astrofísicos do Flatiron Institute e seus colaboradores sugerem que os campos magnéticos são o fator que falta por trás da formação de buracos negros cujas massas estão dentro de uma faixa antes considerada impossível.
Em 2023, os astrónomos testemunharam um evento dramático: a colisão de dois buracos negros supermassivos a cerca de 7 mil milhões de anos-luz de distância. Seu enorme tamanho e rápida rotação não podem ser explicados. De acordo com a teoria atual, buracos negros como este nem deveriam existir.
Pesquisadores do Centro de Astrofísica Computacional (CCA) do Instituto Flatiron e instituições colaboradoras revelaram agora como esses gigantes cósmicos se formam e eventualmente colidem. Ao acompanhar os ciclos de vida das estrelas que criam estes buracos negros, a equipa descobriu que os campos magnéticos – há muito ignorados nos modelos anteriores – desempenham um papel crucial.
Ore Gottlieb, astrofísico do CCA e principal autor do estudo, explica: “Ninguém pensou nestes sistemas como nós; anteriormente, os astrónomos simplesmente pegavam o atalho e ignoravam o campo magnético.” Cartas de revistas astrofísicas. “Mas uma vez considerados os campos magnéticos, podemos realmente explicar a origem deste evento único.”
A colisão que desafia a teoria do buraco negro em 2023
Esta colisão cósmica, agora conhecida como GW231123, foi detectada pelo observatório LIGO-Virgo-KAGRA, que mede ondas gravitacionais – ondulações no espaço-tempo produzidas por movimentos celestes em grande escala.
No momento da detecção, os astrônomos não conseguiam entender como um buraco negro tão massivo e girando rapidamente poderia se formar. Quando uma estrela massiva fica sem combustível, ela normalmente entra em colapso e explode como uma supernova, deixando para trás um buraco negro menor. No entanto, estrelas dentro de uma certa faixa de massa sofrem uma explosão particularmente violenta chamada supernova de instabilidade de par, que destrói completamente a estrela.
“Por causa destas explosões de supernovas, não esperamos que os buracos negros tenham entre 70 e 140 vezes a massa do Sol”, disse Gottlieb. “Portanto, ver um buraco negro com massa nesta lacuna é intrigante.”
Simulação revela poder oculto em ação
Uma possível explicação é que os buracos negros dentro desta “lacuna de massa” se formaram indiretamente através da fusão de buracos negros menores. Mas no caso do GW231123, isso parece improvável. As fusões são muitas vezes caóticas, perturbando a rotação dos buracos negros resultantes. No entanto, os dois buracos negros envolvidos em GW231123 giram quase à velocidade da luz – a mais rápida alguma vez observada – tornando isto improvável.
Para desvendar esse mistério, Gottlieb e sua equipe conduziram uma simulação em duas etapas. Primeiro, eles simularam a vida e a morte de uma grande estrela com massa 250 vezes maior que a do Sol. No momento em que explodiu como supernova, já tinha queimado combustível suficiente para encolher para cerca de 150 massas solares – logo acima da diferença teórica de massa, deixando para trás um buraco negro.
A próxima etapa introduz campos magnéticos na imagem. O modelo começa com os restos da supernova: uma nuvem rodopiante de detritos estelares contendo um campo magnético e um buraco negro nascente no centro. As primeiras teorias presumiam que toda a matéria restante cairia no buraco negro, mas novas simulações pintam um quadro diferente.
Como o magnetismo remodela o destino das estrelas em colapso
Se a estrela em colapso não girar, o material circundante cairá diretamente no buraco negro. Mas quando a estrela gira rapidamente, este material forma um disco em torno do buraco negro, energizando o buraco negro e aumentando a sua rotação ao longo do tempo. No entanto, os campos magnéticos perturbam este processo. Sua pressão pode ejetar algum material quase à velocidade da luz, evitando que caia.
Esta ejeção de material reduz a quantidade de material absorvido pelo buraco negro. Quanto mais forte o campo magnético, mais massa é expelida. Em casos extremos, metade da massa da estrela original pode ser perdida devido a estes fluxos. Nas simulações da equipe, esse mecanismo produziu naturalmente um buraco negro com uma massa que estava dentro da faixa antes “proibida”.
“Descobrimos que a presença de rotação e de campos magnéticos poderia alterar fundamentalmente a evolução de uma estrela após o colapso, de modo que a massa do buraco negro poderia ser significativamente menor do que a massa total da estrela em colapso”, disse Gottlieb.
Conectando massa e rotação do buraco negro
Os resultados indicam uma relação interessante entre a massa de um buraco negro e a sua velocidade de rotação. Um campo magnético mais forte pode retardar a rotação do buraco negro e remover mais massa da estrela, resultando em um buraco negro menor e mais lento. Um campo magnético mais fraco, por outro lado, permite a formação de um campo magnético mais pesado e de rotação mais rápida. Este padrão poderá revelar leis mais amplas que ligam a massa e o spin – uma relação que observações futuras poderão confirmar.
Atualmente, não existem outros sistemas de buracos negros conhecidos para testar esta ligação, mas os astrónomos esperam que as próximas deteções descubram mais exemplos como o GW231123.
Uma explosão de luz dos eventos mais sombrios
As simulações também prevêem que estes processos magnéticos podem produzir explosões de raios gama durante a formação de buracos negros. A detecção deste flash de raios gama pode ajudar a confirmar esta teoria e mostrar o quão comuns são realmente estes buracos negros massivos.
Se confirmadas, estas descobertas poderão não só explicar colisões “impossíveis”, mas também remodelar a compreensão dos cientistas sobre um dos objetos mais extremos e fascinantes do Universo.
