O LIGO viu várias fusões de buracos negros de massa intermediária

Existem três tipos conhecidos de buracos negros: buracos negros supermassivos que espreitam no coração das galáxias, buracos negros de massa estelar formados a partir de estrelas que morrem como supernovas e buracos negros de massa intermediária com massas entre os dois extremos. Geralmente, acredita-se que os intermediários se formam a partir das fusões de buracos negros de massa estelar.

Se isso for verdade, deve haver uma faixa proibida entre as massas estelar e intermediária. Uma faixa em que a massa é muito grande para ter se formado a partir de uma estrela, mas muito pequena para ser a soma das fusões. Mas um novo estudo de dados do LIGO sugere que há buracos negros nessa faixa proibida. 

Uma simulação de fusão de buracos negros de massa estelar. Crédito: Goddard Space Flight Center/Scott Noble da NASA 

Apenas estrelas grandes podem se tornar supernovas. Com base nos modelos que temos, as menores supernovas são produzidas por estrelas com cerca de 10 massas solares. Para estas, o colapso de seus núcleos provavelmente produz estrelas de nêutrons em vez de buracos negros. Com base em observações, os buracos negros mais leves têm cerca de 3-4 massas solares, produzidos por uma estrela com cerca de 20 massas solares. Supernovas só ocorrem para estrelas de até cerca de 50 massas solares. Acima dessa massa, uma estrela colapsa em um buraco negro quase diretamente. A gravidade é tão forte que a estrela não pode produzir uma explosão brilhante.

Mas então, estrelas com cerca de 150 massas solares explodem como hipernovas. Elas também são conhecidas como supernovas de instabilidade de pares . O colapso de seus núcleos libera tanta energia que os raios gama de alta energia que eles produzem geram pares elétron-pósitron. Desnecessário dizer que as hipernovas são muito mais violentas do que as supernovas regulares, o que significa que muito menos da massa central colapsa em um buraco negro. As primeiras estrelas provavelmente eram bestas tremendas com massas maiores que 300 sóis, e teriam produzido buracos negros de mais de 120 massas solares.

Tudo isso significa que supernovas de massa estelar produziriam buracos negros na faixa de 4 a 50 massas solares, e as maiores estrelas hipernovas produziriam buracos negros acima de 120 massas solares, mais ou menos. Buracos negros de massa estelar não deveriam ser possíveis na faixa de 50-120 massas solares. Se encontrarmos buracos negros nessa faixa, segundo nosso entendimento, eles devem ter sido formados a partir da fusão de buracos negros menores.

Então é aqui que fica interessante. Leva muito tempo para que buracos negros se enrolem uns nos outros e se fundam, principalmente buracos negros menores. Embora seja provável que fusões tenham produzido buracos negros nessa faixa excluída, não é provável que eles experimentem uma segunda fusão durante o tempo de vida do cosmos. Em outras palavras, quando telescópios gravitacionais como o LIGO detectam fusões de buracos negros, é extremamente improvável que um dos buracos negros originais esteja na faixa de massa excluída. Encontrar essas fusões "leves" sugeriria que há algo sobre a formação de buracos negros que não entendemos.

É aqui que entra o novo estudo. Os autores analisaram as fusões de buracos negros detectadas pela terceira execução dos observatórios de ondas gravitacionais LIGO-Virgo e executaram estatísticas sobre as massas prováveis ​​dos buracos negros originais. Um dos desafios da astronomia de ondas gravitacionais é que as fusões que observamos estão no limite da detecção.

Para extrair o sinal do ruído, os astrônomos precisam executar simulações de modelos para ver o que melhor se encaixa. Os resultados são um pouco confusos, o que significa que nossas medições das massas dos buracos negros são um pouco incertas.

A equipe se concentrou em 11 eventos de detecção e descobriu que 5 das fusões tinham uma chance melhor do que 75% de que um dos buracos negros originais estivesse na faixa de massa de 50-120 massas solares. Existem alguns problemas com ruído de dados que podem distorcer as estatísticas, mas os dados ainda apoiam a existência de buracos negros na faixa excluída. Eles podem ter se formado a partir de fusões anteriores de buracos negros, mas não é provável.

Então, o que está acontecendo? Como esses buracos negros de massa intermediária "leves" se formaram? Esse é um mistério que levará mais observações para ser resolvido.

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