Catálogo de 267 fusões revela que o universo produz buracos negros por canais cósmicos radicalmente distintos

Quando buracos negros colidem, eles não seguem todos o mesmo roteiro cósmico. Uma nova e abrangente análise do mais recente catálogo de ondas gravitacionais indica que o Universo está produzindo pares de buracos negros em fusão por meio de vários canais distintos, e não de uma única via.

O estudo se baseia no GWTC-5.0, a mais nova compilação da colaboração LIGO-Virgo-KAGRA, que inclui dados da segunda parte da quarta campanha de observação. Os pesquisadores examinaram 267 candidatos a fusão de binários compactos, um salto significativo em relação aos 161 do catálogo anterior, sendo que 259 foram classificados como candidatos a buracos negros binários para estudos populacionais.

Esse conjunto expandido está mudando o foco do campo, permitindo que os cientistas busquem padrões emergentes em vez de tratar cada sinal como uma curiosidade isolada. A amostra inclui 104 novos sistemas binários de buracos negros do período O4b, além de duas fontes reanalisadas do O4a, fornecendo poder estatístico suficiente para testar se a população é homogênea ou se divide em grupos reconhecíveis.

A distribuição de massa dos buracos negros ainda exibe uma forte concentração em torno de 10 vezes a massa do Sol, com outra feição próxima a 35 massas solares. No entanto, o catálogo atualizado enfraquece algumas pistas anteriores enquanto aguça outras, como a tendência geral de emparelhamentos de massa aproximadamente igual, em detrimento de uma suposta concentração na razão de massa de 0,7.

O quadro dos spins também permanece complexo, com a maioria dos buracos negros em fusão não girando a taxas extremas. Dependendo do modelo, entre 69% e 84% possuem magnitudes de spin adimensionais iguais ou inferiores a 0,5, mas o catálogo agora contém evidências mais robustas de um subconjunto menor com pelo menos um buraco negro em rotação rápida.

Um dos padrões mais fortes da nova análise é que os buracos negros de rotação veloz tendem a se agrupar em duas faixas de massa: uma entre cerca de 10 e 20 massas solares e outra acima de aproximadamente 45 massas solares. Segundo o pesquisador Sharan Banagiri, do Centro de Excelência ARC para Descoberta de Ondas Gravitacionais (OzGrav) da Universidade Monash, na Austrália, essas entidades giram tão depressa que, se o Sol se transformasse em um buraco negro com rotação equivalente, executaria milhares de revoluções a cada segundo.

A principal explicação para esses objetos velozes é que eles seriam produtos ‘hierárquicos’ de uma geração anterior de fusões entre buracos negros. Essa ideia aparece repetidamente nos resultados: binários com massa primária acima de 40 massas solares exibem um padrão de razão de massa distinto, no qual as companheiras secundárias caem mais bruscamente em altas massas, indicando que os buracos negros mais pesados tendem a se emparelhar com parceiras mais leves.

A equipe também identificou transições no comportamento dos spins perto de 13,5, 20,2 e 41,6 massas solares. Acima do ponto de transição mais alto, a distribuição de spins se torna mais compatível com o que se espera de fusões envolvendo buracos negros de segunda geração — remanescentes de colisões anteriores que reentraram na população de fusões.

A intrigante feição em 35 massas solares persiste como um dos aspectos mais desafiadores do espectro. Embora a física de instabilidade de pares tenha sido frequentemente discutida como possível explicação, os autores do estudo, repercutido pelo The Brighter Side of News, observam que essa feição parece mais uma mudança de inclinação na distribuição, e nenhuma rota proposta — evolução quimicamente homogênea, transferência de massa estável, binários de População III, formação dinâmica em aglomerados densos ou fusões hierárquicas — explica isoladamente todas as propriedades observadas.

O estudo reforça ainda mais o argumento de que a população de buracos negros não pode ser compreendida com uma única história de formação simples. Pelo menos 9% a 40% das fusões parecem exigir algum grau de alinhamento spin-órbita, enquanto cerca de 30% a 46% possuem spins efetivos abaixo de zero, compatíveis com canais capazes de produzir spins antialinhados.

A professora assistente Sylvia Biscoveanu, da Universidade de Princeton, coautora e ex-bolsista Fulbright na Monash, destacou que o GWTC-5 representa o maior aumento isolado no tamanho do catálogo de ondas gravitacionais. Ela citou eventos com propriedades notáveis, como o GW241127, que contém buracos negros de massas muito diferentes com órbitas oscilantes devido a spins inclinados, e o GW240615, o evento com a melhor localização no céu já registrada.

O professor Eric Thrane, também da Monash, descreveu o momento como um ponto de virada para a área, dizendo que não estamos mais apenas olhando para anomalias individuais, mas vendo um verdadeiro caleidoscópio de colisões cósmicas. Ele acrescentou que a comunidade está empurrando as fronteiras do conhecimento, avistando objetos mais massivos, girando mais rápido e mais incomuns do que nunca.

O ganho imediato não é apenas uma lista mais longa de eventos, mas um censo mais confiável de como os buracos negros se formam, se emparelham e se fundem ao longo do tempo cósmico. Com um catálogo maior, os astrônomos podem testar se certas massas, spins e emparelhamentos realmente pertencem a subpopulações separadas e se esses grupos rastreiam diferentes ambientes astrofísicos, como binários estelares isolados, aglomerados estelares densos ou cadeias repetidas de fusões.

Isso também aprimora a busca por feições previstas, como o intervalo de massa por instabilidade de pares, e ajuda a estimar taxas de fusão com incertezas menores. À medida que a sensibilidade dos detectores melhora e futuros catálogos crescem, o campo estará mais bem posicionado para deixar de descrever eventos incomuns e passar a mapear a história demográfica completa dos objetos compactos.