Observada a mais maciça fusão de buracos negros a partir de ondas gravitacionais

Um buraco negro com 85 vezes a massa do Sol e o outro 65 com massas solares fundiram-se e o resultado foi um buraco negro com 142 massas solares. As oito massas solares em falta foram emitidas na forma de ondas gravitacionais detectadas em 2019.

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Ilustração feita a partir de uma simulação numérica de dois buracos negros que se fundiram e emitiram ondas gravitacionais N. Fischer/H. Pfeiffer/A. Buonanno/Colaboração SXS

Os detectores de ondas gravitacionais voltam a deslumbrar-nos. Vejamos: dois buracos negros – um com 85 e outro com 65 massas solares – terão colidido e fundiram-se para criar um buraco negro ainda maior. Esse buraco negro final ficou com 142 massas solares. Uma equipa internacional de cientistas identificou a fusão desses buracos negros ao detectar ondas gravitacionais produzidas nos momentos finais desse violento encontro. Sugere-se agora que esta é a fusão de buracos negros mais maciça observada em ondas gravitacionais, isto é, a maior fonte de ondas gravitacionais conhecida até ao momento. Também se aponta que será a colisão de dois buracos negros mais distante e poderosa detectada até agora. Estes resultados são anunciados esta quarta-feira em artigos científicos nas revistas Physical Review Letters e Astrophysical Journal Letters.

As ondas gravitacionais são produzidas por acontecimentos cósmicos cataclísmicos. Para as imaginarmos, usemos a imagem de um lago. Se atirarmos uma pedra a esse lago, serão produzidas ondinhas que deformam a superfície da água. Ora, ao propagarem-se pelo Universo à velocidade da luz, as ondas gravitacionais deformam o espaço-tempo, o tecido que constitui o próprio Universo, criado há 13.800 milhões de anos pelo Big Bang.

Há mais de 100 anos, Albert Einstein previu estas ondulações no espaço-tempo. O físico falava de perturbações, ou ondulações, no espaço-tempo causadas por qualquer objecto com massa em movimento, nomeadamente objectos muito maciços como buracos negros – estrelas com muita massa que morreram e originaram objectos superdensos de onde nem a luz escapa. As ondas gravitacionais são mesmo conhecidas por “mensageiros de Einstein”.

Em 2016, anunciou-se que tinham sido observadas, pela primeira vez, ondas gravitacionais. Detectadas em Setembro de 2015 por dois grandes detectores nos Estados Unidos, essas ondas tinham sido emitidas pela colisão de dois buracos negros com cerca de 30 massas solares que, ao girar em torno um do outro, foram descaindo e girando cada vez mais depressa até se fundirem e formarem um único buraco negro. Originou-se assim um novo buraco negro, gerando-se a emissão de ondas gravitacionais.

Por provarem que as ondas gravitacionais existiam mesmo, o trio de investigadores dos Estados Unidos Rainer Weiss (do Instituto de Tecnologia de Massachusetts), Barry Barish e Kip Thorne (ambos do Instituto de Tecnologia da Califórnia) recebeu o Prémio Nobel da Física de 2017.

“Até agora, anunciámos 15 [ondas gravitacionais], mas mais virão”, diz ao PÚBLICO Nelson Christensen, do Observatório da Côte d’Azur (França) e membro da equipa que anuncia agora a detecção de ondas gravitacionais.

Estas ondas gravitacionais foram detectadas a 21 de Maio de 2019 pelos dois detectores do observatório LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), nos Estados Unidos, e pelo detector Virgo, em Itália. O sinal captado foi designado GW190521. As ondulações captadas foram emitidas quando os buracos negros se encontraram, se fundiram e se foram “adaptando” para formar um buraco negro final.

O sinal mais distante

Um dos buracos negros tinha uma massa igual a 85 vezes a massa do Sol e o outro 65 vezes. O buraco negro resultante ficou com 142 vezes a massa do Sol, pelo que as oito massas solares em falta foram emitidas na forma de ondas gravitacionais. Foram precisos 7000 milhões de anos para que este sinal chegasse à Terra. Num comunicado da equipa, refere-se que este foi o sinal mais distante detectado até agora pelos detectores de ondas gravitacionais. Também se assinala: “Este acontecimento cósmico é a fusão de buracos negros mais maciça já observada em ondas gravitacionais”. Noutro comunicado do Ligo, refere-se mesmo que será a mais maciça colisão de dois buracos negros detectada até agora. Além disso, o buraco negro final é o maior alguma vez detectado através de ondas gravitacionais. 

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Ilustração da fusão de dois buracos negros, que originaram um outro com 142 massas solares LIGO/Caltech/MIT/R. Hurt

Até agora, provavelmente, a fonte mais maciça e distante de uma onda gravitacional tinha sido detectada em Julho de 2017 e ocorrido a 5000 milhões de anos-luz de nós, indica Christopher Berry, do Centro para a Exploração e Investigação Interdisciplinar em Astrofísica da Universidade do Noroeste, nos Estados Unidos, e membro da equipa que detectou agora as ondas gravitacionais. O sinal foi designado GW170729 e as ondas gravitacionais “carregavam” uma energia equivalente a cinco massas solares. 

Mas voltemos ao anúncio desta quarta-feira. A equipa também assinala que se observou pela primeira vez, de forma directa, buracos negros de massa intermédia, que têm entre 100 e 100.000 massas solares. A massa destes buracos negros é maior do que a de um buraco negro estelar e bem menor do que a de um buraco negro supermaciço.  

Há muitas questões em torno dos buracos negros intermédios, nomeadamente sobre a sua formação. Estes buracos negros podem ainda ser uma peça importante para desvendar outros mistérios da astrofísica e da cosmologia, como a origem de buracos negros supermaciços. Embora esta ainda seja uma questão em aberto, há cientistas que propõem cenários em que a formação dos buracos negros supermaciços é explicada através de repetidas fusões de buracos negros intermédios.

E como podem as ondas gravitacionais ajudar-nos a desvendar estes mistérios? “As observações das ondas gravitacionais são revolucionárias”, assinala Christopher Berry. “Cada nova detecção redefine a nossa compreensão de como os buracos negros se formam. Com os avanços que temos tido ao nível das ondas gravitacionais, não deverá demorar muito até que tenhamos dados suficientes para desvendar os segredos de como os buracos negros se formam e evoluem.”

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