(Créditos da imagem: N. Fischer, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Max Planck Institute for Gravitational Physics), Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) Collaboration).

Esta é a primeira observação já feita de um buraco negro de massa intermediária. Até o momento, ele era um objeto apenas teórico, ou seja, foi um feito inédito na astrofísica. A descoberta foi publicada no dia 2 de setembro em dois artigos, cada um abordando um tema específico. O primeiro, no periódico Physical Review Letters. O segundo artigo, por sua vez, foi publicado no The Astrophysical Journal Letters.

Um buraco negro de massa intermediária é basicamente uma classificação com base em sua massa. Ele não é tão pequeno quanto um buraco negro de massa estelar, nem tão massivo quando um buraco negro supermassivo – é algo intermediário. Sua massa varia entre algumas centenas e alguns milhares de vezes a massa do nosso Sol.

Para detectá-lo, os pesquisadores utilizaram o LIGO (Interferometer Gravitational-Wave Observatory), localizado nos Estados Unidos, e seu “irmão” europeu, o VIRGO, localizado na Europa. Ambos detectam os sinais para que haja uma redundância, e não caiam em alarmes falsos. O sinal, com apenas um décimo de segundo, foi detectado no dia 21 de maio de 2019.

O princípio de funcionamento de um detector de ondas gravitacionais é bastante simples, embora complexo de aplicar. Tanto para o LIGO como para o VIRGO, ão túneis com quilômetros de extensão, onde correm feixes de lasers. Quando as ondas gravitacionais passam por ali, há uma variação nesse laser, que pode ser detectada. Essas ondas são causadas pela fusão de buracos negros e estrelas de nêutrons. 

“O LIGO nos surpreende mais uma vez não apenas com a detecção de buracos negros em tamanhos difíceis de explicar, mas com técnicas que não foram projetadas especificamente para fusões estelares. Isso é de extrema importância, pois mostra a capacidade do instrumento de detectar sinais de eventos astrofísicos totalmente imprevistos. O LIGO mostra que também pode observar o inesperado”, diz o astrofísico Pedro Marronetti em um comunicado.

A fusão

A fusão ocorreu entre dois buracos negros. O primeiro, possuía 66 massas solares. O segundo, o equivalente a 85 massas do Sol. O resultado da fusão não é uma simples somatória, já que há a liberação de muita energia envolvida nesse processo. Portanto, a massa do buraco negro resultante da fusão é de cerca de 142 massas solares, como mostra a imagem abaixo. 

Representação da fusão. (Créditos da imagem: LIGO/Caltech/MIT/R. Hurt (IPAC)).

“Este evento abre mais perguntas do que fornece respostas. Do ponto de vista da descoberta e da física, é algo muito empolgante.”, diz Alan Weinstein, professor de física da Caltech e membro do projeto LIGO.

As perguntas as quais ele se refere são a formação dos buracos negros com essa massa. Isso ainda é uma incógnita. Estrelas que consigam gerar um buraco negro diretamente a partir do colapso, precisam ter mais de 200 massas solares. Nesse caso, gerariam um buraco negro com mais de 120 massas solares. Portanto, a formação de buracos negros menores ainda é uma incógnita. 

Conforme ABBOTT, R. et al. argumentam no estudo que foi publicado no The Astrophysical Journal Letters, há um fenômeno chamado instabilidade de par. Basicamente, uma estrela com mais de 130 massas solares e menos de 200 não são capazes de se tornarem buracos negros. As de 130 massas solares podem, após explodirem em uma supernova. Se superior a 200 massas solares, pode se tornar diretamente um buraco negro, sem fases intermediárias. 

É justamente essas estrelas do intervalo que sofrem da instabilidade de par. Nesse caso, há uma produção considerável de elétrons e pósitrons (a versão de antimatéria do elétron)  a partir dos fótons. Mas isso é um grande problema, pois a força do colapso gravitacional fica muito forte, e ao contrair, o núcleo esquenta até a temperatura de ignição do oxigênio, ou do silício. Nesse processo, por alguns efeitos, há uma explosão tão forte que nada sobra para trás. 

Uma das formas de um buraco negro entre 65 e 120 massas solares se formar, portanto, conforme os pesquisadores, deve ser através das contínuas fusões de buracos negros menores. “O fato de estarmos vendo um buraco negro nesta lacuna de massa fará muitos astrofísicos coçarem a cabeça e tentarem descobrir como esses buracos negros foram feitos”, diz o pesquisador Nelson Christensen, um dos membros do VIRGO. É claro que ainda há muitas outras implicações pendentes, e elas estão abordadas nos estudos.

O irônico é que há alguns dias eu argumentei, em outro texto, que buracos negros de massa intermediária só poderiam ser encontrados com a próxima geração de observatórios de ondas gravitacionais, com base em um estudo recente que sugeria formas de se detectar esses buracos negros. Poucos dias após eu publicar o texto, um buraco negro de massa intermediária é descoberto com observatórios da atual geração. Bom, não fico triste por ter errado – afinal, a ciência é assim. Fico feliz por saber que a atual geração de observatórios de ondas gravitacionais ainda possuem muito a entregar. 

Referências:

  1. ABBOTT, R. et al. “Properties and Astrophysical Implications of the 150 M ⊙ Binary Black Hole Merger GW190521”. The Astrophysical Journal Letters. Acesso em: 03 set. 2020.
  2. MIT News. “A “bang” in LIGO and Virgo detectors signals most massive gravitational-wave source yet”. Acesso em: 03 set. 2020.