Genealogia dos buracos negros: uma nova forma de descobrir os "antepassados" destes fenómenos cósmicos

Uma equipe de pesquisadores do Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE) e da Universidade Chinesa de Hong Kong (CUHK) publicou um artigo no The Astrophysical Journal propondo um novo método para reconstruir a 'árvore genealógica' dos buracos negros.

Representação da fusão de buracos negros que despoletou a onda gravitacional conhecida como GW190521, cujos dados foram utilizados no artigo científico. Crédito: LIGO/Caltech/MIT/R. Hurt (IPAC)

A abordagem desta pesquisa oferece uma maneira de inferir as propriedades dos buracos negros 'progenitores' dessas fusões, um dos eventos mais brutais que podem ser observados no universo. Como resultado dessas fusões, ondas gravitacionais são geradas, uma espécie de 'rugas' no espaço-tempo que viajam à velocidade da luz, e que atualmente podem ser detectadas através dos detectores desenvolvidos por colaborações internacionais como Virgo, Kagra ou LIGO. 

Desvendando a árvore genealógica dos buracos negros

Ao analisar ondas gravitacionais, é possível obter informações sobre buracos negros em fusão, como suas massas, a direção de seu giro e outras pistas sobre suas origens. Na maioria dos casos, buracos negros são formados a partir de restos de estrelas massivas que entraram em colapso sob sua própria gravidade após esgotar seu combustível nuclear.

No entanto, de acordo com teorias astrofísicas, há um tipo de "vácuo" no qual buracos negros não podem se formar diretamente do colapso estelar, e que é conhecido como "intervalo de massa de instabilidade de par".

Acredita-se que buracos negros dentro desse intervalo se originam de fusões hierárquicas, ou seja, fusões sucessivas de buracos negros "ancestrais" menores, cada um dos quais forma um buraco negro progressivamente mais massivo. Eles formam, portanto, uma espécie de árvore genealógica na qual esta pesquisa pretende se aprofundar.

Embora essa explicação pareça direta, o processo não é trivial. Para um buraco negro participar de fusões sucessivas, ele deve permanecer ligado ao seu ambiente hospedeiro, como uma galáxia ou um aglomerado estelar denso. No entanto, buracos negros produzidos em fusões adquirem uma velocidade de recuo, ou "chute", que pode atingir milhares de quilômetros por segundo, frequentemente o suficiente para ejetá-los da maioria dos ambientes hospedeiros.

Por exemplo, em aglomerados globulares, que são considerados hospedeiros-chave para fusões de buracos negros, a velocidade de escape é de apenas cerca de 50 km/s. Embora o spin e a massa dos buracos negros possam ser medidos diretamente a partir de sinais de ondas gravitacionais, a velocidade de recuo depende das propriedades dos "ancestrais" dos buracos negros em fusão, que não podem ser observados diretamente. 

“Com esse tipo de estudo, não podemos apenas adivinhar os ancestrais dos buracos negros que observamos. Também podemos adivinhar em que tipo de ambiente (se houver!) esse processo poderia ter ocorrido.

Se nenhum ambiente for viável e esses buracos negros não puderem ser o resultado de fusões anteriores, talvez tenhamos que repensar a evolução estelar ou considerar que talvez não estejamos observando buracos negros”, diz o Prof. Juan Calderón Bustillo, bolsista Ramón y Cajal no IGFAE, centro conjunto da Universidade de Santiago de Compostela e Xunta de Galicia (Espanha), e coautor do estudo.

Análise do misterioso sinal GW190521

A equipe aplicou essa técnica ao misterioso sinal de onda gravitacional GW190521 , que envolve um buraco negro que cai na “lacuna de massa proibida”. “Descobrimos que, de acordo com as propriedades que certos grupos encontraram para esse buraco negro, é improvável que ele tenha se formado em um aglomerado globular devido aos grandes chutes que esse buraco negro pode ter herdado”, diz Carlos Araujo, aluno de mestrado no Instituto de Astrofísica de Canarias e ex-aluno de graduação na Universidade de Santiago de Compostela.

“De fato, ambientes com maiores velocidades de escape, como Núcleos Galácticos Ativos ou Aglomerados de Estrelas Nucleares parecem mais plausíveis, devido à sua capacidade de reter buracos negros com grandes chutes. Isso se alinha com estudos existentes sugerindo que GW190521 aconteceu em um Núcleo Galáctico Ativo.”, diz o Sr. Henry Wong, ex-aluno de graduação na CUHK e agora cientista de dados no setor privado.

“Descobrimos que podemos acessar o chute de nascimento do buraco negro porque ele está intimamente ligado ao seu spin. Infelizmente, não podemos medir spins com muita precisão hoje em dia, o que é um dos fatores limitantes do nosso estudo. À medida que o LIGO e o Virgo continuam aumentando sua sensibilidade e novos detectores de terceira geração entram em operação, nosso método fornecerá insights mais detalhados sobre a genealogia dos buracos negros que observamos”, diz Ania Liu, coautora do estudo e aluna de doutorado na CUHK.

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