Os cientistas que estudam as ondas gravitacionais acreditam que podem descobrir como o universo criou os seus maiores buracos negros. Em vez de se formarem diretamente a partir de estrelas em colapso, estes objetos massivos parecem crescer através de repetidas colisões de buracos negros dentro de aglomerados estelares altamente aglomerados.
O novo estudo, liderado pela Universidade de Cardiff, examinou a versão 4.0 do Catálogo Transiente de Ondas Gravitacionais (GWTC4) do LIGO-Virgo-KAGRA, que contém 153 detecções confiáveis de fusões de buracos negros.
Os pesquisadores se concentraram em saber se os maiores buracos negros do catálogo poderiam ser objetos de “segunda geração”. Neste cenário, 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 do que em torno do nosso Sol.
Resultados, publicados Astronomia da Naturezasugerem que os buracos negros mais massivos detectados por ondas gravitacionais pertencem a uma classe separada com uma história muito diferente dos buracos negros menores.
Ondas gravitacionais revelam duas populações de buracos negros
“A astronomia de ondas gravitacionais está agora a fazer mais do que calcular fusões de buracos negros,” explica o autor principal, Dr. Fabio Antonini, da Escola de Física e Astronomia da Universidade de Cardiff.
“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.”
Ao analisar o sinal das ondas gravitacionais, a equipe identificou dois grupos distintos:
- Uma população mais baixa consistente com o colapso estelar normal
- Uma população elevada cujas rotações são vistas como esperadas em fusões sequenciais em aglomerados estelares densos
Os investigadores dizem que o comportamento de rotação dos buracos negros massivos é particularmente revelador.
“O que mais nos surpreendeu foi a clareza com que os buracos negros de grande massa se destacavam como uma população distinta,” recorda a co-autora Dra. Isobel Romero-Shaw, bolsista Ernest Rutherford na Universidade de Cardiff.
“Em contraste com os sistemas de baixa massa que analisámos, que eram tipicamente de rotação lenta, os sistemas de alta massa são consistentes com uma rotação mais rápida, com orientações aparentemente aleatórias. Esta é a assinatura exata que esperaríamos se os buracos negros se unissem repetidamente em aglomerados estelares densos.
“Isso torna a origem do cluster muito mais convincente do que os catálogos anteriores”.
Evidência de “lacuna de massa” do buraco negro.
A pesquisa reforça as evidências de uma misteriosa “lacuna de ingestão” prevista por astrofísicos há décadas. De acordo com esta teoria, estrelas acima de um determinado tamanho deveriam explodir tão violentamente que seriam completamente destruídas em vez de colapsarem em buracos negros.
Isso criaria uma faixa proibida onde não deveriam existir buracos negros formados diretamente a partir de estrelas.
Os pesquisadores detectaram essa mudança em um buraco negro com massa cerca de 45 vezes a do Sol.
Antonini disse: “Em nosso estudo, encontramos evidências da lacuna de massa de instabilidade de pares há muito prevista – uma faixa de massa onde não se espera que as estrelas fiquem atrás de buracos negros. Detectores de ondas gravitacionais encontraram com sucesso buracos negros que ficam nessa lacuna ou perto dela, que detectamos em cerca de 45 massas solares.
“Então, a questão chave agora é: estes buracos negros estão a dizer-nos que os nossos modelos de evolução estelar estão errados, ou estão a ser criados de outras formas?
“Os buracos negros mais massivos 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 com binários estelares simples, mas é naturalmente explicada se estes buracos negros já estiverem agrupados em aglomerados densos.”
Buracos negros podem ajudar cientistas a estudar física nuclear
Os pesquisadores dizem que as descobertas poderão eventualmente ajudar os cientistas a investigar processos nas profundezas de estrelas massivas.
A equipe usou a transição perto da lacuna de massa para estudar uma importante reação nuclear associada à queima de hélio no núcleo estelar.
“No futuro, os dados das ondas gravitacionais poderão ajudar os cientistas a estudar a física nuclear, já que o limite de massa determinado pela instabilidade do par depende das reações nucleares que ocorrem nos núcleos de estrelas massivas”, acrescentou o Dr. Fani Dosopoulou, investigador associado da Universidade de Cardiff.
