Uma vez perdidos em ação, buracos negros de peso médio foram finalmente detectados. Agora, os pesquisadores estão tentando descobrir como eles crescem a partir de pequenos.
Até recentemente, os buracos negros – aquelas esferas celestes tão densas que nem mesmo a luz consegue escapar de sua atração gravitacional – só pareciam vir em tamanho pequeno ou XXL. Os astrofísicos inferiram a presença de pequenos buracos negros “estelares” pesando até cerca de 50 vezes a massa do Sol, bem como buracos negros gigantescos milhões ou bilhões de vezes mais pesados que ficam no centro das galáxias.
“É como ver bebês e depois ver adultos, mas você não vê os adolescentes”, disse Priyamvada Natarajan, astrofísico da Universidade de Yale.
Então, em 21 de maio de 2019, buracos negros de médio porte foram detectados sem ambigüidade pela primeira vez quando o Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) dos Estados Unidos e sua contraparte europeia Virgo capturaram o tremor de um par de buracos negros se fundindo nas profundezas do espaço. De acordo com sua análise, o par pesava 66 e 85 massas solares.
Desde que a descoberta se tornou oficial em setembro deste ano, um debate se desenvolveu. A questão é como surgem os buracos negros de tamanho intermediário. Buracos negros menores podem atingir o peso médio ao engolir gás e poeira. Ou podem inflar consumindo-se mutuamente, aumentando a cada fusão sucessiva. “Se um desses processos é relevante, ou ambos, não está claro”, disse Imre Bartos, físico da Universidade da Flórida. A gênese dos buracos negros de tamanho intermediário é importante porque se cruza com uma série de outras tramas astrofísicas.
O que é certo é que os buracos negros com massa solar de 66 e 85 devem ter crescido de alguma forma, porque eles não poderiam ter se formado nesses tamanhos devido ao colapso gravitacional das estrelas.
Perto do fim da vida das estrelas grandes, elas fundem hidrogênio em seus núcleos em elementos cada vez mais pesados. Mas, uma vez que alcançam o ferro, menos energia sai da fusão do que entra, e a fusão para. Incapaz de sustentar as pesadas camadas externas da estrela, o núcleo denso colapsa gravitacionalmente, desencadeando uma explosão espetacular de supernova e deixando para trás um remanescente ultracompacto e pesado: o buraco negro.
Pelo menos, esse é o caso de estrelas até um certo tamanho. Se o núcleo de uma estrela enorme tem entre 65 e 135 vezes a massa do Sol, pode atingir temperaturas surpreendentes de quase 300 milhões de graus Celsius, fazendo com que as partículas de luz se convertam espontaneamente em pares de elétrons e pósitrons. Com o desaparecimento da pressão de radiação, as volumosas camadas externas ganham vantagem e caem para dentro com uma ferocidade ainda maior do que em uma supernova típica. O núcleo inteiro detona como uma bomba, incinerando completamente a estrela e não deixando nada em seu rastro.
Núcleos entre cerca de 50 e 65 massas solares sofrem uma série de explosões parciais até que caiam abaixo da faixa onde ocorre a formação elétron-pósitron; eles então colapsam gravitacionalmente em buracos negros. Isso significa que, teoricamente, buracos negros com entre 50 e 135 massas solares não podem ser criados por estrelas.
No entanto, mesmo antes da detecção recente, muitos astrofísicos suspeitavam que buracos negros nessa faixa proibida deveriam existir. Isso ocorre porque eles levantaram a hipótese de que os buracos negros estelares podem se transformar em supermassivos que ancoram as galáxias passando por um estágio intermediário.
Natarajan, que há muito trabalha em modelos de crescimento de buracos negros de massa intermediária, coletou suas ideias mais recentes em um artigo publicado online em 19 de setembro. Ela favorece cenários onde pequenos buracos negros nascem em aglomerados de estrelas nucleares, densas coleções de estrelas encontradas perto de centros galácticos . Esses buracos negros iniciais varrem o aglomerado, engordando com gás e poeira, até que se fixam em um único local e param de ganhar peso. Dependendo de quanto material o aglomerado contém e por quanto tempo o buraco negro vagueia, entidades intermediárias com uma ampla gama de massas finais podem se desenvolver, incluindo potencialmente ambos os buracos negros detectados pelo LIGO / Virgo.
Mas Bartos e outros pesquisadores trabalhando em modelos de “fusão hierárquica”, nos quais os buracos negros crescem comendo uns aos outros em vez de acumulando gás e poeira, apontam para um importante detalhe de apoio nos dados do LIGO / Virgo.
Os buracos negros podem ter momento angular, ou “spin”, que varia entre os extremos designados 0 e 1. Quando dois buracos negros de tamanho semelhante se combinam, o spin do buraco negro resultante é provavelmente em torno de 0,7. O buraco negro final produzido na fusão vista por LIGO / Virgo, por exemplo, teve um spin de 0,72. Mas, de forma reveladora, os dois buracos negros envolvidos na fusão tiveram spins semelhantes, fixados em 0,69 e 0,73, sugerindo que cada um deles pode ter se formado em fusões anteriores.
“Parece que este evento é consistente com a ideia de que os buracos negros se fundem repetidamente”, disse Emanuele Berti, astrofísica da Universidade Johns Hopkins que estuda fusões hierárquicas.
Por outro lado, Berti observa que o gás e a poeira acumulados nos buracos negros também devem afetar seus spins. O material que cai em um buraco negro, teoricamente, forma um disco giratório à medida que drena em direção ao ponto central, e a rotação desse disco pode ser transferida para o buraco. Os detalhes desse processo ainda não foram totalmente elaborados, mas o material em queda poderia, em princípio, ser responsável pelos giros observados. “Não podemos concluir com toda a honestidade que esta foi uma fusão de segunda geração”, disse Berti.
Há outra marca possível contra a teoria da multi-fusão: quando dois buracos negros com massas desiguais orbitam um ao outro, Berti explicou, eles espalham ondas gravitacionais da mesma forma que um aspersor giratório borrifa água, em vez de irradiar as ondas simetricamente em todas as direções. “Então, no momento da fusão, você fecha a água”, disse Berti. “As ondas de gravidade vão para um lado e o [buraco negro resultante] vai para outro.” O buraco negro pode acabar se movendo a uma velocidade de dezenas de milhões de quilômetros por hora, escapando rapidamente de qualquer ambiente em que esteja. Retardá-lo o suficiente para outra fusão seria difícil.
Buracos negros que se formam em aglomerados de estrelas nucleares, o local de nascimento preferido de Natarajan, seriam menos propensos a disparar com chutes gravitacionais. Isso ocorre porque tais aglomerados ocorrem nas proximidades de buracos negros supermassivos, cuja influência colossal poderia controlar objetos velozes e potencialmente permitir que os buracos negros encontrassem parceiros.
Um único evento de fusão não resolverá o debate.
“Acho que, por enquanto, há muitos canais de formação possíveis”, disse Laura Blecha, astrofísica teórica da Universidade da Flórida. “Isso pode ser uma história diferente, mesmo daqui a seis meses, com novos modelos ou novas detecções LIGO.”
Embora o observatório de ondas gravitacionais esteja atualmente fechado devido à pandemia COVID-19 em andamento, as atualizações nos próximos anos devem aumentar sua taxa de detecção de aproximadamente uma fusão de buraco negro por semana para uma a cada hora.
“Haverá uma explosão desses eventos”, disse Bartos.
Enquanto isso, a safra atual de dados continuará a dar aos astrônomos muito o que refletir. No final de outubro, uma reanálise dos dados do LIGO / Virgo por astrônomos externos sugeriu que a fusão em questão pode ter envolvido dois buracos negros de peso extremamente desigual – algo como 16 e 166 vezes a massa do sol, em vez de 66 e 85 massas solares. Nesse caso, ambos os buracos negros podem ter surgido do colapso estelar, já que suas massas se situam na faixa proibida. Eles não precisavam ter crescido. Essa possibilidade ainda exigiria alguma explicação, entretanto, já que o parceiro mais robusto teria surgido de uma estrela extraordinariamente grande. Tudo isso mostra que os pesquisadores apenas começaram a espiar em um domínio antes invisível.
Publicado em 05/11/2020 23h26
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