Som de um buraco negro a ser "expulso" pelo espaço ouvido pela primeira vez.

O recuo gerado quando dois buracos negros colidem foi, pela primeira vez, medido através de ondas gravitacionais.

Mais do que estimar a velocidade a que o buraco negro resultante foi “atirado” pelo espaço, esta medição conseguiu também determinar a direção do movimento - um avanço que abre uma nova via para interpretar fusões de buracos negros.

Recuo em fusões de buracos negros medido com ondas gravitacionais (GW190412)

Com base no evento de ondas gravitacionais GW190412, registado em 2019, astrónomos concluíram que a assimetria da colisão imprimiu ao buraco negro recém-formado um impulso superior a 50 km/s.

“Este é um dos raros fenómenos em astrofísica em que não estamos apenas a detetar algo - estamos a reconstruir o movimento completo em 3D de um objeto a milhares de milhões de anos-luz, usando apenas ondulações no espaço-tempo”, afirma o astrofísico Koustav Chandra, da Universidade Estatal da Pensilvânia.

“É uma demonstração notável do que as ondas gravitacionais conseguem fazer.”

Como as ondas gravitacionais revelam a dança dos buracos negros

Passaram cerca de 10 anos desde a primeira deteção de ondas gravitacionais e, desde então, os detetores LIGO, Virgo e KAGRA já captaram centenas de colisões de buracos negros a ecoar pelo Universo.

As ondas gravitacionais podem ser imaginadas como as ondulações num lago - só que, neste caso, o “lago” é o espaço-tempo. À medida que dois buracos negros se aproximam em espiral, os seus campos gravitacionais interagem e deformam o espaço-tempo, emitindo ondulações que se propagam à velocidade da luz.

Esse bailado termina num único e intenso “pulso” gravitacional quando ocorre a colisão e a fusão, dando origem a um único objeto. A análise destas ondulações permite inferir as propriedades do sistema, incluindo a massa e o spin de cada buraco negro inicial, bem como a massa do remanescente final.

“As fusões de buracos negros podem ser entendidas como uma sobreposição de sinais diferentes, tal como a música de uma orquestra resulta da combinação de muitos instrumentos”, explica o astrofísico Juan Calderón-Bustillo, da Universidade de Santiago de Compostela, em Espanha.

“No entanto, esta orquestra é especial: ouvintes colocados em posições diferentes à sua volta registam combinações distintas de instrumentos, o que lhes permite perceber onde estão exatamente em relação a ela.”

O “pontapé natal”: quando a explosão é desigual

Um dos efeitos mais dramáticos de eventos cósmicos violentos - como uma supernova de colapso do núcleo ou uma fusão de buracos negros - é o chamado pontapé natal. Quando o fenómeno é assimétrico (por exemplo, uma supernova mais energética de um lado, ou um par de buracos negros com massas muito diferentes), a energia é emitida de forma desigual e o objeto recém-formado recebe um empurrão forte numa direção preferencial.

Em 2018, Calderón-Bustillo e colegas propuseram um método para medir esse pontapé natal em fusões de buracos negros a partir dos dados de ondas gravitacionais, recorrendo às massas e aos spins envolvidos. Na altura, era necessário um conjunto específico de condições que ainda não tinha sido observado - mas não demorou até surgir um caso adequado.

Um sistema muito desequilibrado e um sinal longo: o que tornou o GW190412 ideal

Em abril de 2019, a colaboração LIGO–Virgo detetou finalmente uma colisão entre dois buracos negros num sistema binário extremamente desigual. Um dos buracos negros tinha cerca de 29,7 massas solares, enquanto o outro era mais de três vezes menos massivo, com 8,4 massas solares.

Além disso, por se tratar de um sistema relativamente “leve” em comparação com outras fusões mais massivas, o sinal observado foi mais prolongado, oferecendo um conjunto de dados particularmente rico para análise.

Aplicando a sua técnica, os investigadores estimaram o ângulo e a velocidade com que o buraco negro resultante foi lançado após a fusão - uma velocidade suficientemente elevada para, em princípio, o expulsar de um enxame globular, isto é, um aglomerado de estrelas fortemente ligado dentro de uma galáxia.

Naturalmente, não é possível afirmar se o sistema estava num enxame globular: a fusão ocorreu a cerca de 2,4 mil milhões de anos-luz, e os instrumentos atuais não têm resolução para identificar um enxame globular a essa distância. Ainda assim, se a fusão aconteceu num desses ambientes, é provável que o buraco negro remanescente esteja, de facto, a ser ejetado.

Porque esta medição muda o jogo

Segundo a equipa, esta abordagem pode transformar-se numa ferramenta poderosa para estudar fusões de buracos negros, ao acrescentar uma peça que até agora faltava: a reconstrução direta do recuo em 3D a partir do próprio sinal gravitacional.

Este tipo de recuo tem implicações importantes para a evolução de populações de buracos negros em ambientes densos. Se o remanescente for frequentemente expulso, isso pode limitar a ocorrência de fusões sucessivas no mesmo local; se, pelo contrário, ficar retido, pode favorecer cadeias de fusões e contribuir para a formação de buracos negros progressivamente mais massivos.

Num futuro próximo, medições deste género poderão também ajudar a mapear melhor a geometria das fusões e a testar modelos de formação de binárias em diferentes cenários astrofísicos, à medida que os detetores acumulam mais eventos e melhoram a sensibilidade.

Clarões eletromagnéticos e a orientação do recuo

“Fusões de buracos negros em ambientes densos podem gerar sinais eletromagnéticos detetáveis - conhecidos como clarões - à medida que o buraco negro remanescente atravessa uma região densa, como um núcleo galáctico ativo”, refere o astrofísico Samson Leong, da Universidade Chinesa de Hong Kong.

“Como a visibilidade do clarão depende da orientação do recuo em relação à Terra, medir esses recuos permitirá distinguir entre um verdadeiro par sinal de ondas gravitacionais–sinal eletromagnético proveniente de um binário de buracos negros e uma simples coincidência aleatória.”

A investigação foi publicada na Nature Astronomy.