Os cientistas que estudam as ondas gravitacionais acreditam que podem ter revelado como o universo cria os maiores buracos negros. Estes objetos massivos não se formaram diretamente a partir do colapso de estrelas, mas cresceram através de repetidas colisões de buracos negros em aglomerados estelares extremamente lotados.
O novo estudo, liderado pela Universidade de Cardiff, examinou o Catálogo de Transientes de Ondas Gravitacionais (GWTC4) versão 4.0 do LIGO-Virgo-KAGRA, que contém detecções confiáveis de 153 buracos negros em fusão.
Os investigadores concentraram-se em saber se o maior buraco negro do catálogo poderia ser um objeto de “segunda geração”. Neste caso, os buracos negros formados a partir de estrelas moribundas colidem entre si e depois fundem-se novamente num ambiente estelar denso onde as estrelas estão compactadas um milhão de vezes mais densamente do que em torno do Sol.
Os resultados da pesquisa foram publicados em astronomia naturalmostrando que os buracos negros mais massivos detectados através de ondas gravitacionais pertencem a uma categoria separada com uma história muito diferente da dos buracos negros mais pequenos.
Ondas gravitacionais revelam dois aglomerados de buracos negros
O autor principal, Fabio Antonini, da Escola de Física e Astronomia da Universidade de Cardiff, explicou: “A astronomia de ondas gravitacionais está agora fazendo mais do que apenas calcular fusões de buracos negros”.
“Começa a revelar como e onde crescem os buracos negros, e o que nos diz sobre a vida e a morte de estrelas massivas. Isto é emocionante porque podemos usar esta informação para testar a nossa compreensão de como as estrelas e os enxames estelares evoluem no Universo.”
Ao analisar os sinais das ondas gravitacionais, a equipe de pesquisa identificou dois grupos distintos:
- Populações de baixa massa consistentes com colapso estelar comum
- A população mais massiva tem rotações exatamente como esperado de fusões em camadas em aglomerados estelares densos
Os investigadores dizem que o comportamento de rotação dos buracos negros mais pesados é particularmente revelador.
“O que mais nos surpreendeu foi a clareza com que os buracos negros massivos se destacavam como um único grupo,” recordou a co-autora Dra. Isobel Romero-Shaw, Ernest Rutherford Fellow na Universidade de Cardiff.
“Ao contrário dos sistemas de baixa massa que analisámos, que normalmente rodam lentamente, os sistemas de maior massa têm rotações mais rápidas e em direcções aparentemente aleatórias. Isto é exactamente o que esperaríamos se os buracos negros se fundissem repetidamente em aglomerados estelares densos.
“Isso torna a origem do cluster ainda mais atraente do que nos catálogos anteriores.”
Evidências da “lacuna de massa” do buraco negro
A investigação também reforça as evidências da misteriosa “lacuna de massa” que os astrofísicos previram durante décadas. De acordo com esta teoria, estrelas acima de um certo tamanho deveriam explodir tão violentamente que seriam completamente destruídas, em vez de colapsarem num buraco negro.
Isso criaria uma zona proibida onde não deveriam existir buracos negros formados diretamente a partir de estrelas.
Os pesquisadores descobriram essa transição em um buraco negro com massa cerca de 45 vezes a do Sol.
Antonini disse: “No nosso estudo, encontrámos evidências da lacuna de massa instável há muito prevista, uma gama de massas onde as estrelas simplesmente não deixam para trás buracos negros. Os detectores de ondas gravitacionais descobriram com sucesso buracos negros que parecem estar dentro ou perto desta lacuna, e determinamos que a sua massa é de cerca de 45 massas solares.
“Portanto, a questão chave agora é: será que estes buracos negros nos dizem que os nossos modelos de evolução estelar estão errados, ou que estão estruturados de outra forma?
“Os maiores buracos negros da amostra atual parecem estar a dizer-nos sobre a dinâmica dos aglomerados, e não apenas sobre a evolução estelar.
“Acima de cerca de 45 massas solares, a distribuição de spin muda de uma forma que é difícil de explicar apenas pelos binários estelares normais, mas pode ser explicada naturalmente se estes buracos negros tiverem experimentado fusões precoces em aglomerados estelares densos.”
Buracos negros podem ajudar cientistas a estudar física nuclear
Os pesquisadores dizem que as descobertas poderão eventualmente ajudar os cientistas a estudar processos nas profundezas de estrelas massivas.
A equipe usou transições próximas à lacuna de massa para estudar importantes reações nucleares associadas à queima de hélio no núcleo da estrela.
“No futuro, os dados das ondas gravitacionais podem ajudar os cientistas a estudar a física nuclear, uma vez que o limite de massa imposto às instabilidades depende das reações nucleares que ocorrem nos núcleos de estrelas massivas,” acrescentou o co-autor Dr. Fani Dosopoulou, investigador da Universidade de Cardiff.
