Catálogo com 390 fusões de buracos negros revela as origens secretas desses titãs cósmicos

Poucas entidades no Universo desafiam a compreensão humana com a mesma intensidade que os buracos negros, regiões onde a matéria se comprime tão brutalmente que a gravidade distorce o espaço-tempo a ponto de nem a luz escapar. Ao longo da última década, os observatórios de ondas gravitacionais revelaram uma variedade desconcertante desses objetos: gigantes muito mais massivos do que se julgava possível, redemoinhos que giram a velocidades alucinantes e pares tão assimétricos que os cientistas lutavam para explicar sua existência.

Agora, com a mais recente divulgação de dados da colaboração LIGO-Virgo-KAGRA, os astrônomos finalmente acumularam detecções suficientes para ir além das curiosidades individuais e começar um verdadeiro censo da população de buracos negros. O cenário que emerge sugere que o Universo possui uma gama surpreendentemente versátil de métodos para construir esses enigmas gravitacionais, como apontou uma análise detalhada publicada pelo ScienceAlert.

O astrofísico Sharan Banagiri, da Universidade Monash e do Centro de Excelência ARC para Descoberta de Ondas Gravitacionais (OzGrav) na Austrália, explica que este conjunto de quase 400 detecções fornece uma indicação clara de que as fusões de buracos negros binários que observamos estão se formando de várias maneiras diferentes. Alguns podem surgir de uma nuvem gigante de gás que colapsa para dar origem a duas estrelas massivas que depois se transformam em buracos negros, enquanto outros podem ser objetos que vagam e se encontram em ambientes densos repletos de estrelas, chamados aglomerados, e há ainda aqueles que são produto de uma geração anterior de fusões entre dois buracos negros.

Os buracos negros estão entre os objetos mais difíceis de estudar justamente porque sua gravidade extrema os torna impenetráveis aos nossos melhores métodos de detecção baseados em luz. Sabemos, porém, que eles se formam a partir dos núcleos colapsados de estrelas massivas acima de um certo limiar, esmagando-se em um objeto tão pequeno e tão massivo que a gravidade subjuga completamente todas as outras forças conhecidas.

O grande avanço na ciência dos buracos negros veio em 2015, quando a humanidade detectou pela primeira vez as ondas gravitacionais, as ondulações no espaço-tempo produzidas por um par de buracos negros em colisão, como ondas que se espalham a partir de uma pedra jogada em um lago. Desde então, nossa capacidade de detectar esses eventos melhorou drasticamente, e as detecções dispararam para 390 no mais novo catálogo de ondas gravitacionais, a maioria delas proveniente de pares de buracos negros em fusão.

Isso representa uma taxa média de quase 40 detecções por ano, um salto impressionante em relação às três detecções que o LIGO produziu em seus primeiros quatro meses de operação. O astrofísico Maximiliano Isi, do Instituto Flatiron da Fundação Simons nos EUA, afirma que agora há dados suficientes para começar a separar as propriedades desses buracos negros e descobrir de onde eles vieram, o que também permite mapear a expansão do Universo ao longo de sua história, uma questão superimportante e ainda sem resposta na cosmologia atual.

Cada sinal de onda gravitacional pode ser analisado para inferir as propriedades dos buracos negros envolvidos, incluindo as massas e os spins dos dois objetos em colisão, bem como a massa e o spin estimados do buraco negro maior formado pela fusão. O novo catálogo contém uma série de resultados-chave, incluindo vários recordistas, como o sinal mais claro de buraco negro já detectado, o GW 250114, que permitiu novos testes de física teórica, e outro sinal, o GW 240615dg, que estabeleceu o recorde de melhor localização no céu já alcançada.

Mas esses eventos individuais empalidecem diante do que os dados do censo revelam em sua totalidade. O astrofísico Daniel Williams, da Universidade de Glasgow no Reino Unido, compara o feito a descobrir uma civilização antiga, onde os novos resultados são como encontrar um tesouro previamente desconhecido que revela não apenas vidas individuais, mas a estrutura de todo um mundo perdido.

A análise estatística mostra que as massas dos buracos negros tendem a se agrupar em dois grupos principais: 10 massas solares e 35 massas solares. O primeiro grupo provavelmente se origina de estrelas binárias normais que evoluem juntas, mas o segundo é mais difícil de explicar apenas com a evolução estelar padrão, e outras tendências sugerem que esses objetos maiores podem ser buracos negros de ‘segunda geração’ que ganharam massa a partir de uma colisão anterior entre buracos negros menores.

Essa sucessão de colisões é chamada de fusão hierárquica e, como uma colisão pode produzir remanescentes que giram rapidamente, um spin veloz que supera as expectativas serve como uma impressão digital para esses eventos. Banagiri observa que uma das coisas mais fascinantes que descobriram sobre esses novos buracos negros é que eles estão girando muito rápido: o Sol rotaciona uma vez a cada 25 dias, mas se ele se tornasse um buraco negro e começasse a girar tão rapidamente quanto os que foram descobertos, estaria rotacionando vários milhares de vezes por segundo.

Binários que evoluíram juntos geralmente têm massas semelhantes, o que significa que uma colisão proveniente de um binário extremamente desequilibrado também poderia envolver um buraco negro que é produto de uma fusão anterior. O cenário que emerge do catálogo mais recente mostra que isso provavelmente é o caso, uma compreensão que só tende a se tornar mais nítida com o tempo.

O astrofísico Eric Thrane, também da Universidade Monash e do OzGrav, descreve que não estão mais apenas olhando para anomalias individuais, mas sim vendo um verdadeiro caleidoscópio de colisões cósmicas. Estão empurrando as fronteiras do que conhecemos, observando coisas mais massivas, girando mais rápido e mais incomuns do que nunca, com as descobertas tendo sido publicadas em um preprint no site do LIGO.