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Como se formam os maiores buracos negros do universo? Ondulações no espaço-tempo fornecem uma pista
Os cientistas descobriram que os buracos negros mais massivos do Universo podem formar-se nos ambientes estelares mais densos, ou nos chamados aglomerados globulares. É nestes aglomerados que as colisões violentas são comuns, sugerindo uma nova origem caótica para estes titãs cósmicos do nosso cosmos.
Os cientistas identificaram este potencial local de nascimento de enormes buracos negros estudando ondulações no espaço e no tempo – unificadas como uma única entidade chamada espaço-tempo – também conhecida como ondas gravitacionais. As ondas foram ouvidas” em Terra por nossos detectores de ondas gravitacionais altamente sensíveis, o Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), KAGRA e Virgem. As ondas gravitacionais foram previstas pela primeira vez por Albert Einstein em 1915 como parte de sua teoria da gravidade, conhecida como relatividade geral. Eles são lançados quando eventos poderosos, como a colisão e fusão de buracos negros, definem a própria estrutura do toque do espaço-tempo.
A equipe por trás desta pesquisa analisou 153 detecções de fusão de buracos negros contidas na versão 4.0 do Catálogo Transiente de Ondas Gravitacionais do LIGO – Virgo – KAGRA (GWTC4) com o objetivo de investigar se os buracos negros mais pesados são formados pela fusão repetida de buracos negros sucessivamente maiores em ambientes estelares densos, em vez de diretamente de massivos. estrela entra em colapso.
“A astronomia de ondas gravitacionais está agora fazendo mais do que contar fusões de buracos negros”, disse o líder da equipe, Fabio Antonini, da Universidade de Cardiff, no Reino Unido, em um comunicado. “Está a começar a revelar como os buracos negros crescem, onde crescem e o que isso nos diz sobre a vida e a morte de estrelas massivas. Isto é emocionante porque podemos usar a informação para testar a nossa compreensão de como as estrelas e os enxames evoluem no Universo.”
Cuidado com a lacuna!
A investigação das ondas gravitacionais da equipa sobre as origens dos buracos negros mais massivos revelou duas populações distintas de buracos negros. Antonini e colegas descobriram uma população de buracos negros de menor massa que parecem ter nascido quando estrelas massivas morreram em explosões de supernovas e os seus núcleos sofreram colapso gravitacional. Eles também observaram uma população de buracos negros girando de tal forma que indica que eles se formaram através de uma cadeia de fusões hierárquicas entre buracos negros menores em aglomerados estelares densos.
Essa é uma revelação que chocou até mesmo a equipe por trás deste estudo.
“O que mais nos surpreendeu foi a clareza com que os buracos negros de grande massa se destacam como uma população separada”, disse Isobel Romero-Shaw, membro da equipa, da Universidade de Cardiff. “Ao contrário dos sistemas de menor massa que analisámos, que geralmente giravam lentamente, os sistemas de maior massa são consistentes com rotações mais rápidas, orientadas em direções aparentemente aleatórias. Esta é a assinatura exata que esperaríamos se os buracos negros se fundissem repetidamente em aglomerados estelares densos. Isso torna a origem do aglomerado muito mais convincente do que era com os catálogos anteriores.”
A investigação da equipa sugere evidências de uma “lacuna de massa” há muito teorizada relacionada com a vida após a morte das estrelas. Isto sugere que as estrelas mais massivas não entram em colapso para formar buracos negros quando morrem, mas sim sofrem uma explosão de supernova que as destrói completamente.
Isso, por sua vez, sugere que existe uma faixa de massa proibida para buracos negros de massa estelar nascidos de estrelas em colapso, resultante do fato de que estrelas muito massivas são destruídas antes que um buraco negro possa ser criado. A equipe acredita que esta faixa de massa proibida começa com uma massa 45 vezes maior que a do sol. Buracos negros com massas maiores que essa, propõem os pesquisadores, são formados por fusões.
“No nosso estudo, encontramos evidências da lacuna de massa de instabilidade de pares há muito prevista – uma gama de massas onde não se espera que as estrelas deixem para trás buracos negros. Os detectores de ondas gravitacionais encontraram com sucesso buracos negros que parecem estar dentro ou perto dessa lacuna, que identificamos em cerca de 45 massas solares,” explicou Antonini. “Então, a questão chave agora é: estarão estes buracos negros a dizer-nos que os nossos modelos de evolução estelar estão errados, ou estarão a ser feitos de outra forma?”
As descobertas da equipe também podem revelar mais sobre os estertores da morte das maiores estrelas e como os corpos estelares se comportam quando presos em regiões milhões de vezes mais densas que o quintal cósmico do Sol.
“Os maiores buracos negros na amostra atual parecem estar a dizer-nos sobre a dinâmica dos aglomerados, e não apenas sobre a evolução estelar,” disse Antonini. “Acima de cerca de 45 massas solares, a distribuição de spin muda de uma forma que é difícil de explicar apenas com binários estelares normais, mas é naturalmente explicada se estes buracos negros já tiverem passado por fusões anteriores em aglomerados densos.”
Esses resultados foram publicados na quinta-feira (7 de maio) na revista Astronomia da Natureza.
