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Ondas gravitacionais indicam existência de um novo tipo de buraco negro

Ondas gravitacionais colocam em xeque teoria sobre formação de buracos negros (Foto: Ligo-Virgo/Caltech/MIT)

 

Em 21 de maio de 2019, os detectores de ondas gravitacionais Ligo, nos Estados Unidos, e Virgo, na Itália, captaram o sinal mais intenso desde o início de suas atividades. Desde então, astrônomos de todo o mundo estão quebrando a cabeça para compreender o que causou o fenômeno — e grande parte das teorias envolve a fusão de dois buracos negros

É também nessa hipótese que acredita uma equipe liderada pelo Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech) e o Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT). Em dois artigos, publicados nesta quarta-feira (2) no Physical Review Letters e no The Astrophysical Journal Letters, os cientistas dizem que essa pode ter sido a primeira detecção de um buraco negro "intermediário", com uma massa entre 100 e 1000 vezes a do Sol.

 

 

 

O fenômeno, batizado de GW190521, foi gerado por uma fonte distante quando o Universo tinha aproximadamente metade de sua idade e durou pouco, menos de um décimo de segundo. "Isso não se parece muito com um gorjeio, que é o que normalmente detectamos", disse Nelson Christensen, um dos cientistas, em declaração à imprensa. "Isso é mais como algo que faz 'bang', é o sinal mais massivo que Ligo e Virgo já viram."

Para os especialistas, as ondas gravitacionais são resultado da fusão de dois buracos negros com aproximadamente 85 e 66 vezes a massa do Sol, que criou um buraco negro com 142 massas solares. O evento liberou uma enorme quantidade de energia, equivalente a quase oito vezes a massa do Sol, que se espalhou por todo o Universo na forma de ondas gravitacionais.

Todos os buracos negros observados até hoje se enquadram em uma de duas categorias: os de massa estelar, com até dezenas de massas solares, e os supermassivos, cuja massa varia de centenas de milhares a bilhões de vezes a do nosso Sol. Contudo, a fusão GW190521 sugere algo inédito: a existência de uma faixa de massa intermediária.

A formação dos buracos negros

De acordo com a física da evolução estelar, uma estrela se mantém estável graças à pressão externa dos fótons e à pressão interna do gás em seu núcleo. Com o passar do tempo, entretanto, o núcleo do astro gera substâncias muito pesadas e sustentar suas camadas externas se torna impossível. Quando essa pressão externa é menor que a gravidade, a estrela colapsa sob si mesma, em uma explosão chamada supernova de colapso do núcleo, que pode originar um buraco negro.

 

Esse processo explica como estrelas de até 130 massas solares podem produzir buracos negros com até 65 massas solares. O evento, entretanto, não se aplica às estrelas mais pesadas — a elas, a formação de buracos negros é atribuída a um fenômeno conhecido como "instabilidade do par".

A fusão de dois buracos negros teria gerado as ondas gravitacionais detectadas (Foto: Ligo-Virgo/Caltech/MIT)

 

Segundo os cientistas, as estrelas com mais de 200 massas solares eventualmente colapsam e acabam se tornando buracos negros de pelo menos 120 massas solares. Sendo assim, uma estrela em colapso não deve ser capaz de produzir um buraco negro com massa entre 65 e 120 vezes a do Sol — um intervalo que é conhecido como "lacuna de massa de instabilidade de par".

Isso porque, de acoro com os astrônomos, quando os fótons do núcleo se tornam extremamente energéticos, eles podem se transformar em um par de elétrons e antielétrons, partículas que, por sua vez, geram menos pressão. Como resultado, a estrela se torna instável, tem um colapso gravitacional e explode, sem deixar nada para trás.

Mas esse modelo é contrariado pela detecção GW190521, pois a nova teoria sugere que um dos buracos negros tinha 85 massas solares. "O fato de estarmos vendo um buraco negro nesta lacuna de massa fará muitos astrofísicos coçarem a cabeça e tentarem descobrir como esses buracos negros surgiram", brincou Christensen.

 

Uma possível explicação para o ocorrido é a fusão hierárquica: os dois buracos negros que geraram as ondas gravitacionais teriam se formaram a partir da fusão de dois buracos negros menores. "Esse evento gera mais perguntas do que respostas", disse Alan Weinstein, coautor da pesquisa. "Do ponto de vista da descoberta e da física, é uma coisa muito emocionante."

Outras ideias
Enquanto os detectores Ligo e Virgo captam ondas gravitacionais que estão passando pela Terra, buscas automatizadas vasculham os dados à procura de outros sinais. Essas pesquisas podem ocorrer por dois métodos: no primeiro, um algoritmo identifica padrões que podem ter sido produzidos por sistemas binários, enquanto no segundo o estudo é mais geral, visando eventos "fora do comum", como fusões.

No caso do GW190521, foi uma busca do segundo tipo que captou o sinal, sugerindo que as ondas gravitacionais muito provavelmente são resultado de uma fusão binária. Ainda assim, os especialistas ressaltam que outras possibilidades devem ser consideradas, levando em conta a peculiaridade do evento. "Todos nós esperamos por algo novo, algo inesperado, que possa desafiar o que já aprendemos. Esse evento tem potencial para fazer isso", comentou Weinstein.

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