Resolvendo uma lacuna em nosso conhecimento sobre buracos negros

 As ondas gravitacionais oferecem um teste para saber se as supernovas podem produzir buracos negros entre 55 e 120 vezes a massa do Sol.

Imagem simulada da fusão de uma lente SXS binária de buraco negro

Uma maneira de os buracos negros se formarem é em supernovas ou na morte de estrelas massivas. No entanto, nosso conhecimento atual da evolução estelar e supernovas sugere que buracos negros com massas entre 55 e 120 massas solares não podem ser produzidos por meio de supernovas. Sinais de ondas gravitacionais de fusões de buracos negros nos oferecem um teste observacional dessa “lacuna” nas massas dos buracos negros. 

LIMITES DO BURACO NEGRO 

A supernova SN 2016iet, que pode ser uma das primeiras supernovas de instabilidade de par observadas. As linhas mostram a localização do instrumento usado para obter os espectros da supernova.Adaptado de Gomez et al. 2019

Você precisa de uma estrela massiva para se transformar em supernova e produzir um buraco negro. Infelizmente, estrelas extremamente massivas explodem com tanta violência que não deixam nada para trás! Este cenário pode ocorrer com supernovas de instabilidade de par, que acontece em estrelas com massas centrais entre 40 e 135 massas solares. O “par” em “instabilidade de par” refere-se aos pares elétron-pósitron que são produzidos por raios gama interagindo com núcleos no núcleo da estrela. Energia é perdida neste processo, o que significa que há menos resistência ao colapso gravitacional. 

À medida que a estrela colapsa ainda mais, duas coisas podem acontecer. Se a estrela for suficientemente massiva, seu núcleo se inflama em uma explosão que destrói a estrela, sem deixar vestígios. Se a estrela for menos massiva, a ignição do núcleo faz com que a estrela bata e perca massa até deixar o estágio de produção de pares e seu núcleo colapsar normalmente em um buraco negro. O buraco negro mais massivo que pode ser produzido neste cenário é de aproximadamente 55 massas solares, formando a extremidade inferior da lacuna de massa do buraco negro. 

Do outro lado da lacuna de massa, é teoricamente possível que certas estrelas massivas colapsem normalmente sem entrar no estado de produção de pares, evoluindo assim para buracos negros com massas maiores que 120 massas solares. A única coisa dessas estrelas massivas é que elas são de baixa metalicidade, não contendo praticamente nenhum elemento mais pesado do que o hélio. 

Portanto, o resultado final é que é improvável que observemos quaisquer buracos negros com massas entre 55 e 120 massas solares. Mas como podemos testar essa previsão? Sinais de ondas gravitacionais são uma opção! As propriedades dos buracos negros em fusão são codificadas nas ondas gravitacionais produzidas pela fusão, incluindo as massas dos buracos negros. Assim, um estudo recente liderado por Bruce Edelman (Universidade de Oregon) olhou nosso catálogo atual de sinais de fusão de buracos negros para ver se a lacuna de massa emergiria dos dados. 

CUIDADO COM A LACUNA, SE HOUVER UMA LACUNA

As prováveis ​​massas dos buracos negros envolvidos nas 46 fusões consideradas neste estudo. O eixo x é a massa esperada de um buraco negro e o eixo y é a massa esperada do outro. Cada contorno representa uma fusão. No entanto, as fusões verdes e roxas em negrito representam a mesma fusão, GW190521, e correspondem aos valores de dois estudos diferentes. As regiões laranja representam a lacuna de massa prevista. Adaptado de Edelman et al. 2021

Edelman e colaboradores usaram duas distribuições de modelo estabelecidas de massas de buracos negros para abordar o problema. Eles também alteraram os modelos para que a lacuna fosse explicitamente permitida e, assim, massas maiores de buracos negros pudessem ser exploradas sem inflar artificialmente a taxa de fusões acima da lacuna. Edelman e seus colaboradores ajustaram seus modelos aos dados de 46 fusões de buracos negros binários observados pelo Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory e pelo interferômetro de Virgo. 

Curiosamente, a existência da lacuna é bastante ambígua! Um fator é a inclusão da fusão associada ao sinal GW190521, que provavelmente foi uma fusão de alta massa cujos buracos negros componentes ocupam a lacuna de massa. Se a lacuna não existir, é possível que os buracos negros inesperados sejam formados pela fusão de buracos negros menores. No geral, este resultado aponta para muitas vias de estudo quando se trata de supernovas de instabilidade de par e formação de buracos negros!

Fonte: Skyandtelescope.org