Os cientistas chegaram ao fundo do mistério de uma fusão “impossível” entre buracos negros que foi detectada através de ondulações no espaço-tempo chamadas ondas gravitacionais em 2023.
A colisão ocorreu a cerca de 7 bilhões de anos-luz de distância e envolveu a colisão de dois buracos negros isso parecia proibido, por causa de suas enormes massas e da incrível velocidade com que giravam.
Esses buracos negros – com massas de 100 e 140 vezes a do o sole girando perto do velocidade da luz – não deveria existir de acordo com as teorias atuais de como “buracos negros de massa estelar” se formam quando estrelas massivas colapsam e explodem como supernovas.
Pesquisadores do Centro de Astrofísica Computacional (CCA) do Instituto Flatiron, em Nova York, resolveram esse quebra-cabeça realizando simulações que recriaram a evolução desse sistema ao longo da vida do progenitor. estrelasaté a morte de supernovas. Isso revelou um fator simples que não havia sido devidamente considerado no processo anterior: os campos magnéticos.
“Ninguém considerou estes sistemas da mesma forma que nós; anteriormente, os astrónomos apenas tomavam um atalho e negligenciavam os campos magnéticos”, disse o líder da equipa, Ore Gottlieb, astrofísico do CCA, num comunicado. “Mas uma vez considerados os campos magnéticos, podemos realmente explicar as origens deste evento único.”
Não é tão impossível?
O ondas gravitacionais desta colisão de buracos negros “proibidos” foram “ouvidos” pelos detectores baseados na Terra LIGOVirgem e KAGRA em 23 de novembro de 2023, como Space.com relatado em julho deste ano. Analisando este sinal, designado GW231123, os astrónomos ficaram imediatamente intrigados com a existência de buracos negros tão massivos e de rotação rápida.
Isto porque as estrelas que poderiam morrer para deixar para trás buracos negros de massa estelar tão massivos como estes deveriam terminar as suas vidas com um tipo específico de supernova chamada “supernova de instabilidade de pares”, que é tão violenta que nada resta, nem mesmo um buraco negro. “Como resultado destas supernovas, não esperamos que buracos negros se formem entre cerca de 70 a 140 vezes a massa do Sol,” explicou Gottlieb. “Então, foi intrigante ver buracos negros com massa dentro desta lacuna.”
Os buracos negros podem existir dentro dessa lacuna de massa como resultado de uma experiência anterior. fusão entre buracos negrosmas os investigadores descartaram esta possibilidade para os buracos negros envolvidos na colisão que enviou o sinal GW231123 através do espaço. Isto porque as fusões perturbam a rotação do buraco negro “filho” criado, mas os dois buracos negros envolvidos nesta fusão ainda giravam perto da velocidade da luz, à velocidade máxima a que os buracos negros podem rodar. Assim, os investigadores concluíram que algo diferente das fusões anteriores deve explicar as enormes massas dos buracos negros progenitores.
Gottlieb e colegas começaram a investigar o que poderia ser este mecanismo, simulando primeiro uma estrela gigante com uma massa de cerca de 250 vezes a do Sol, que acompanharam ao longo da sua evolução até à sua morte como supernova. Eles descobriram que, nesta fase final, a estrela tinha queimado tanto do seu combustível que tinha “reduzido” para 150 massas solares. Isso o deixou pequeno o suficiente para deixar para trás um buraco negro depois de se tornar uma supernova.
A equipa realizou então outra simulação mais complexa, tendo em conta os campos magnéticos que desempenham um papel no rescaldo da supernova. Este segundo modelo começou com restos de supernovas na forma de uma nuvem de restos de material estelar entrelaçados com campos magnéticos. No centro desses destroços havia um buraco negro. Antes desta investigação, os cientistas presumiam que toda a massa deste material remanescente seria consumida pelo buraco negro recém-nascido. Como consequência, a massa desse buraco negro cresceria para corresponder à massa da massiva estrela progenitora. Porém, as simulações da equipe mostraram que algo diferente estava acontecendo.
O que Gottlieb e colegas observaram foi que, após o colapso de uma estrela não rotativa para formar um buraco negro, o material restante cai rapidamente no buraco negro. Mas se a estrela progenitora estiver a girar rapidamente, estes destroços estelares formam uma nuvem rotativa e achatada em torno do buraco negro recém-nascido, que o faz girar cada vez mais rápido à medida que mais e mais material lhe é alimentado. Na presença de campos magnéticos, o disco de detritos sofre uma pressão forte o suficiente para afastar parte da matéria restante do buraco negro quase à velocidade da luz.
Esta saída de material reduz a massa do disco que alimenta o buraco negro, e quanto mais fortes forem os campos magnéticos envolvidos, mais rapidamente este prato de material estelar é levado para longe do buraco negro. Se os campos magnéticos forem suficientemente poderosos, metade da massa inicial da estrela pode ser destruída. O resultado líquido: um campo magnético fraco resulta em menos privação de matéria e num buraco negro final que fica dentro da lacuna de massa.
“Descobrimos que a presença de rotação e de campos magnéticos pode alterar fundamentalmente a evolução pós-colapso da estrela, tornando a massa do buraco negro potencialmente significativamente menor do que a massa total da estrela em colapso”, disse Gottlieb.
Além de oferecer uma solução para o enigma desta fusão “impossível”, as simulações da equipe sugerem uma conexão entre a massa de um buraco negro e a taxa de rotação através da força dos campos magnéticos ao seu redor. Campos magnéticos fortes podem resultar em buracos negros mais leves e de rotação mais lenta, enquanto campos magnéticos mais fracos podem resultar em buracos negros mais massivos e de rotação mais rápida.
A pesquisa também pode sugerir uma maneira para os astrônomos testarem esta conexão. A equipe descobriu que a criação desses buracos negros com lacunas de massa está associada a uma explosão de raios gama, que são detectáveis. Se tal detecção for feita, os cientistas terão dado um grande passo em frente na nossa compreensão dos buracos negros.
A pesquisa da equipe foi publicada na quarta-feira (12 de novembro) em As cartas do jornal astrofísico.
