Este buraco-negro é tão grande que literalmente não deveria existir
Físicos de buracos negros discutiram animadamente os relatos de que os detectores de ondas gravitacionais LIGO e Virgo captaram recentemente o sinal de um buraco negro inesperadamente gigantesco, um com uma massa considerada fisicamente impossível.
“A previsão é de não haver buracos negros, nem mesmo alguns” nessa faixa de massa, escreveu Stan Woosley, astrofísico da Universidade da Califórnia, Santa Cruz, em um e-mail. “Mas é claro que sabemos que a natureza geralmente encontra um caminho.”
Sete especialistas contatados pela Quanta Magazine disseram ter ouvido falar que, dentre as 22 ondas de ondas gravitacionais detectadas pelo LIGO e Virgo desde abril, um dos sinais veio de uma colisão envolvendo um buraco negro de massa nunca prevista – com a massa de cem sóis. Os membros da equipe LIGO / Virgo não confirmariam nem negariam a detecção alegada.
Chris Belczynski, astrofísico da Universidade de Varsóvia, anteriormente tinha tanta certeza de que um espécime tão grande não seria vista que, em 2017, ele fez uma aposta com colegas. “Acho que estamos prestes a perder a aposta”, disse Belczynski, “e para o bem da ciência!”
A confiança anterior de Belczynski veio do fato de que um buraco negro tão grande não pode se formar da maneira esperada.
Buracos negros – esferas densas e cheias de paradoxos, cuja gravidade retém tudo, até a luz – se formam a partir dos núcleos em contração das estrelas gastas em combustível. Mas em 1967, três físicos da Universidade Hebraica de Jerusalém perceberam que quando o núcleo de uma estrela que está morrendo é muito pesado, ela não entra em colapso gravitacional transformando-se em um buraco negro. Em vez disso, a estrela passará por uma supernova de instabilidade de pares, uma explosão que a aniquila totalmente em questão de segundos, sem deixar nada para trás. “A estrela está completamente dispersa no espaço”, escreveram os três físicos.
Uma supernova de instabilidade de pares ocorre quando o núcleo fica tão quente que a luz começa a se converter espontaneamente em pares elétron-pósitron. A pressão de radiação da luz manteve o núcleo da estrela intacto; quando a luz se transforma em matéria, a queda de pressão resultante faz com que o núcleo se encolha rapidamente e se torne ainda mais quente, acelerando ainda mais a produção de pares e causando um efeito descontrolado. Eventualmente, o núcleo fica tão quente que o oxigênio se inflama. Isso inverte totalmente a implosão do núcleo, de modo que ele explode. Para os núcleos com uma massa entre 65 e 130 vezes a massa do nosso sol (de acordo com as estimativas atuais), a estrela é completamente destruída. Os núcleos entre cerca de 50 e 65 massas solares pulsam, dispersando a massa em uma série de explosões até que caiam abaixo da faixa onde ocorre a instabilidade de pares. Assim, não deve haver buracos negros com massas na faixa de 50 a 130 massas solares.
“A previsão vem de cálculos diretos”, disse Woosley, cujo estudo de 2002 dessa “lacuna de massa de instabilidade de pares” é considerado definitivo.
Os buracos negros podem existir do outro lado da diferença de massa, pesando mais de 130 massas solares, porque a implosão descontrolada de tais núcleos estelares pesados não pode ser interrompida, mesmo por fusão de oxigênio; em vez disso, eles continuam a entrar em colapso e a formar buracos negros. Mas como as estrelas perdem massa ao longo de suas vidas, uma estrela precisaria nascer pesando pelo menos 300 sóis para terminar como um núcleo de 130 massas solares, e esses gigantes são raros. Por esse motivo, a maioria dos especialistas presumiu que os buracos negros detectados pelo LIGO e pelo Virgo devessem atingir cerca de 50 massas solares, a extremidade mais baixa da diferença de massa. (Os buracos negros supermassivos de milhões e bilhões de massas solares que ancoram os centros das galáxias se formaram de maneira diferente e misteriosa no universo primitivo. LIGO e Virgo não são mecanicamente capazes de detectar as colisões de buracos negros supermassivos.
Dito isto, alguns especialistas previram ousadamente que buracos negros nessa faixa massa seriam vistos – daí a aposta de 2017.
Em uma reunião realizada em fevereiro no Aspen Center for Physics, Belczynski e Daniel Holz, da Universidade de Chicago, apostaram que “buracos negros não deveriam existir na faixa de massa entre 55 e 130 massas solares por causa da instabilidade dos pares” e, portanto, nenhum detectado entre os 100 primeiros sinais do LIGO / Virgo. Woosley depois assinou a aposta junto com Belczynski e Holz.
Mas Carl Rodriguez, do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, e Sourav Chatterjee, do Instituto Tata de Pesquisa Fundamental, em Mumbai, Índia, mais tarde acompanhado por Fred Rasio, da Northwestern University, apostaram contra eles, dizendo que um buraco negro seria realmente detectado na brecha de massa porque existe uma maneira indireta de formar esses buracos negros de tamanho grande.
Enquanto a maioria dos buracos negros em colisão que mexem com os instrumentos de LIGO e Virgo provavelmente se originou como pares de estrelas isoladas (sistemas estelares binários são comuns no cosmos), Rodriguez e seus co-apostadores argumentam que uma fração das colisões detectadas ocorre em ambientes estelares densos como aglomerados globulares. Os buracos negros giram em torno da gravidade um do outro, e às vezes se pegam e se fundem, como peixes grandes engolindo peixes menores em um lago.
Dentro de um aglomerado globular, um buraco negro de 50 massas solares poderia se fundir com um buraco de 30 massas solares, por exemplo, e então o gigante resultante poderia se fundir novamente. Essa fusão de segunda geração é o que o LIGO / Virgo pode ter detectado – uma captura de sorte dos peixes grandes na lagoa. “Isso realmente só pode acontecer em grupos”, disse Rodriguez. Se o boato for verdadeiro, ele, Chatterjee e Rasio receberão uma garrafa de vinho de $ 100 de Belczynski, Holz e Woosley.
Mas existem outras origens possíveis para o grande buraco negro. Talvez tenha começado em um sistema estelar binário isolado. Depois que a primeira estrela entrou em colapso em um buraco negro, ela pode ter crescido retirando matéria de sua estrela companheira. Mais tarde, a segunda estrela também teria entrado em colapso e, eventualmente, as duas teriam colidido e se fundido, enviando ondas gravitacionais em cascata através do espaço-tempo.
A equipe do LIGO / Virgo anuncia rapidamente todos os eventos potenciais de ondas gravitacionais e a região do céu de onde se originou, para que outros telescópios possam apontar na mesma direção. Mas a equipe de boca fechada ainda não publicou informações detalhadas sobre qualquer evento da atual execução de observação que começou em abril, como os tamanhos inferidos dos objetos em colisão. A equipe planeja revelar tudo até a primavera de 2020, o mais tardar. Se o buraco negro de tamanho grande estiver entre os resultados, a análise também deve revelar a rapidez com que o buraco e seu companheiro estavam girando quando colidiram; essas informações ajudarão a favorecer uma história de origem ou outra, ou nenhuma.
O boato está “nos levando a mecanismos alternativos de formação”, disse Chris Fryer, astrofísico do Laboratório Nacional Los Alamos, que estudou a formação binária de buracos negros e a diferença de massa. “De qualquer forma, será um evento emocionante – se for verdade.”
Quanto a Woosley, ele ainda tem certeza de que existe uma diferença de massa, apesar de possíveis exceções. “Um resultado provável será que, quando tivermos centenas de buracos negros, realmente veremos uma grande lacuna por volta dos 50”, disse ele, “mas com alguns eventos na brecha porque a natureza abomina o vácuo”. [Quanta Magazine]
