Cientistas finalmente desvendam colisão ‘impossível’ de buracos negros
Nova pesquisa explica como buraco negro "proibido" surgiu após colisão que parecia impossível levar relatividade ao limite; entenda!
Pesquisadores finalmente desvendaram a origem da maior fusão de buracos negros já registrada, desafiando suposições anteriores que consideravam tais objetos “impossíveis”. Durante décadas, acreditou-se que buracos negros dessa magnitude não poderiam existir devido à destruição de estrelas massivas em explosões supernova devastadoras, as quais deixariam pouco ou nenhum remanescente capaz de colapsar em um buraco negro.
O novo estudo indica que estrelas magnetizadas e em rápida rotação podem colapsar de formas inesperadas, resultando na formação de buracos negros dentro dessa faixa de massa antes considerada proibida. Essa descoberta abriu caminho para o evento colossal de fusão conhecido como GW231123.
Além disso, os achados sugerem que os buracos negros podem se formar com uma eficiência superior àquela previamente estimada pelos cientistas. Essa nova compreensão pode reformular a maneira como se vê a origem das primeiras estrelas e buracos negros do universo e como esses elementos evoluíram até se tornarem os supermassivos que hoje habitam os centros das galáxias.
Vale mencionar que as colisões de buracos negros emergiram como ferramentas cruciais para a compreensão do cosmos. “As fusões de buracos negros nos permitem observar o universo não através da luz, mas através da gravidade — por meio de ondas gravitacionais produzidas pela distorção do espaço-tempo à medida que os buracos negros espiralam e se fundem”, afirmou Ore Gottlieb, professor do Centro de Astrofísica Computacional e líder da pesquisa, em entrevista ao Live Science.
Essas ondas gravitacionais, por sua vez, oferecem uma visão rara das regiões do espaço onde a gravidade é tão intensa que nem mesmo a luz consegue escapar. A partir da forma do sinal gerado, os cientistas podem inferir as massas e rotações dos objetos em fusão e reconstruir suas origens.
Tais observações testam a teoria da relatividade geral de Einstein em seus limites mais extremos, pois a curvatura do espaço-tempo ao redor dos buracos negros fundidos desafia as previsões dessa teoria. Eventos envolvendo os buracos negros mais massivos também revelam informações sobre como estrelas massivas viveram e morreram ao longo do tempo cósmico e como os primeiros buracos negros cresceram até se tornarem os gigantes que dominam as galáxias atualmente.
Em novembro de 2023, quando os detectores registraram GW231123, astrônomos perceberam rapidamente que se tratava de um evento excepcional. Dois objetos imensos — com aproximadamente 100 e 130 vezes a massa do Sol — fundiram-se a mais de 2 bilhões de anos-luz da Terra. O surpreendente foi que buracos negros dessa dimensão pertencem ao que os físicos chamam de “lacuna de massa”, uma faixa entre 70 e 140 massas solares onde se esperava não encontrar buracos negros.
Estrelas nessa faixa geralmente se destroem por meio de explosões supernova violentas, deixando pouco ou nada para trás. No entanto, GW231123 continha não apenas um, mas dois desses objetos — ambos apresentando sinais de rotação extrema. O evento envolveu “dois dos buracos negros com rotação mais rápida, indicando um raro canal de formação de buracos negros massivos e com rotação rápida, que não se supunha existirem”, comentou Gottlieb.
Para entender como tais buracos poderiam se formar, a equipe desenvolveu simulações tridimensionais detalhadas, iniciando a partir da vida de uma estrela extremamente massiva. O modelo seguiu um núcleo de hélio com cerca de 250 vezes a massa do Sol enquanto queimava combustível, colapsava e formava um novo buraco negro. Teorias anteriores presumiam que tal estrela colapsaria intacta, resultando em um buraco negro com a mesma massa do núcleo original. Contudo, o novo estudo demonstra que isso nem sempre ocorre.
Desvendando o impossível
Gottlieb e sua equipe descobriram que a rotação rápida altera todo o cenário. “Mostramos que, se a estrela gira rapidamente, ela forma um disco de acreção ao redor do buraco negro recém-nascido”, explicou ao Live Science. “Fortes campos magnéticos gerados dentro desse disco podem impulsionar poderosos fluxos de saída que expelem parte do material estelar, impedindo que ele caia no buraco negro.” Em vez de absorver todo o núcleo, o jovem buraco negro perde acesso a grande parte da matéria circundante enquanto forças magnéticas lançam material ao espaço.
Esse mecanismo reduz a massa final do remanescente, colocando-a dentro da lacuna de massa — uma região antes considerada inatingível. “Como resultado, a massa final do buraco negro pode ser significativamente reduzida, ficando dentro da lacuna de massa, uma faixa anteriormente considerada inacessível”, disse Gottlieb.
As simulações também estabeleceram naturalmente uma ligação entre a massa e a rotação do buraco negro resultante. Campos magnéticos fortes extraem momento angular, diminuindo assim a velocidade do buraco negro enquanto ejeta mais massa. Já os campos mais fracos deixam um objeto mais massivo e com maior rotação.
Essa relação corresponde intimamente às propriedades inferidas para os dois buracos negros em GW231123: um formaria em uma estrela com campos magnéticos moderados; o outro seria originado em uma estrela com campos mais fracos, criando um par com diferentes massas finais e rotações — exatamente o que o sinal das ondas gravitacionais sugere.
Vale mencionar que eventos extremos como GW231123 testam os limites da relatividade geral. “A enorme curvatura do espaço-tempo sonda a relatividade geral em seu regime de campo forte mais extremo, permitindo-nos testar se as equações de Einstein permanecem precisas quando a gravidade está em seu nível mais extremo”, observou Gottlieb.
Caso eventos semelhantes tenham ocorrido frequentemente no universo primitivo, isso poderia ter moldado o crescimento dos primeiros buracos negros. Essas fusões “implicam que buracos negros massivos podem se formar de maneira mais eficiente do que os modelos estelares atuais preveem”, afirmou Gottlieb. “Isso afetaria nossa compreensão de como a primeira geração de estrelas e buracos negros deu origem aos buracos negros supermassivos que observamos nas galáxias hoje.”
O trabalho da equipe aponta para um novo caminho na formação dos buracos negros massivos e prevê padrões específicos que astrônomos poderão investigar no futuro. “Nosso trabalho abre uma nova janela para a formação de buracos negros dentro da lacuna de massa, prevendo buracos negros de primeira geração (sem fusões anteriores) em todas as massas”, concluiu Gottlieb. Detecções futuras de ondas gravitacionais irão verificar se a correlação entre massa e rotação encontrada nas simulações se mantém ao longo de muitos eventos.
“À medida que detectarmos sistemas binários de buracos negros mais massivos, poderemos testar a correlação prevista nessa população”, conclui Gottlieb. Essas descobertas podem revelar se GW231123 é uma raridade cósmica ou o primeiro indício claro da existência oculta de uma população significativa de buracos negros massivos e rapidamente giratórios.
