GW 231123: colisão de buracos negros gera objeto com mais de 225 Sóis

Dois buracos negros chocaram numa fusão que pode transformar de forma profunda o que pensamos saber sobre o crescimento dos buracos negros.

Baptizado de GW 231123, em referência à data em que foi registado - 23 de novembro de 2023 -, este é o embate de buracos negros mais massivo observado até agora, dando origem a um único objeto com uma massa superior à de 225 Sóis.

Até aqui, a colisão de buracos negros mais pesada conhecida tinha produzido um remanescente com 142 vezes a massa do Sol.

GW 231123 e o novo máximo para colisões de buracos negros

O que torna este evento particularmente impressionante é que cada um dos buracos negros envolvidos ultrapassa o limite superior de massa esperado para buracos negros formados a partir do colapso do núcleo de uma única estrela - um indício de que ambos poderão ter participado em colisões anteriores.

"Este é o binário de buracos negros mais massivo que observámos através de ondas gravitacionais, e coloca um verdadeiro desafio à nossa compreensão da formação de buracos negros", afirma o astrónomo e físico Mark Hannam, da Cardiff University, no Reino Unido.

"Buracos negros com esta massa são proibidos pelos modelos padrão de evolução estelar. Uma possibilidade é que os dois buracos negros neste binário se tenham formado através de fusões anteriores de buracos negros mais pequenos."

Como as ondas gravitacionais revelam buracos negros invisíveis

A astronomia de ondas gravitacionais arrancou em 2015, quando o interferómetro LIGO detetou um sinal ténue das ondulações gravitacionais que se propagam no espaço-tempo quando dois objetos extremos se juntam e se tornam um só. Desde então, o LIGO passou a contar com as instalações Virgo e KAGRA, reunindo cerca de 300 sinais de pares de buracos negros em colisão por todo o Universo.

Os astrónomos conseguem estudar estes registos e separar os diferentes componentes do sinal, usando as ondulações para determinar as propriedades dos buracos negros que as produziram.

E aqui está uma das partes mais interessantes: buracos negros pequenos são extremamente difíceis de encontrar no espaço, porque não emitem luz detetável. Ao acumular observações de fusões, os investigadores estão, na prática, a recolher dados diretos sobre a realidade física destes objetos.

Por necessidade, grande parte do trabalho sobre estes corpos hiperdensos tem sido teórico. Sabe-se que os mais pequenos (ao contrário dos buracos negros supermassivos, com milhões de Sóis) são os restos de estrelas muito massivas que explodem em supernova; os seus núcleos colapsam sob a gravidade e formam objetos tão densos que nem a luz consegue escapar à sua atração gravitacional.

Limites de massa, supernovas de instabilidade de pares e um recorde acima de 225 Sóis

Ainda assim, existe um limite superior para a massa de um buraco negro produzido por este mecanismo. Acima de um determinado valor, as estrelas podem explodir numa supernova de instabilidade de pares, que destrói por completo o núcleo. Não se sabe com certeza onde está esse limiar, mas pode ser tão baixo como 40 massas solares, ou tão alto como 60.

Apesar disso, já foram encontrados indícios de buracos negros acima desse intervalo. A fusão que resultou nas 142 massas solares envolveu buracos negros com 66 e 85 vezes a massa do Sol. Porém, o GW 231123 eleva a fasquia de forma particularmente marcante.

Além do mais, segundo os investigadores, ambos os buracos negros deste evento rodavam a uma velocidade muito elevada, quase no limite teórico. Isso tornou o sinal bastante mais difícil de interpretar - mas também pode funcionar como pista sobre o passado destes objetos. Quando dois buracos negros se fundem, o corpo resultante deverá apresentar uma taxa de rotação mais alta; este é um parâmetro que os cientistas têm proposto usar para avaliar se um buraco negro é, ele próprio, produto de uma fusão anterior.

Será necessária análise adicional para desfazer toda a complexidade do GW 231123, mas o evento pode reforçar teorias científicas sobre a formação de buracos negros. Também poderá dar uma pista importante sobre a forma como crescem os buracos negros supermassivos, já que continua por esclarecer como passam de objetos com massa comparável à de uma estrela para os enormes colossos em torno dos quais orbitam galáxias inteiras.

"A comunidade vai precisar de anos para desvendar por completo este padrão de sinal intricado e todas as suas implicações", diz o físico Gregorio Carullo, da University of Birmingham, no Reino Unido. "Apesar de a explicação mais provável continuar a ser uma fusão de buracos negros, cenários mais complexos podem ser a chave para decifrar as suas características inesperadas. Tempos entusiasmantes pela frente!"

As conclusões da equipa serão apresentadas na 24.ª Conferência Internacional sobre Relatividade Geral e Gravitação e na 16.ª Conferência Edoardo Amaldi sobre Ondas Gravitacionais.