Astrofísicos da Universidade de Birmingham fizeram progressos na compreensão de um mistério-chave da astrofísica de ondas gravitacionais:como dois buracos negros podem se unir e se fundir.

Durante os primeiros quatro meses de coleta de dados, Advanced LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) detectou ondas gravitacionais de duas fusões de pares de buracos negros, GW150914 e GW151226, junto com o candidato a fusão de buraco negro estatisticamente menos significativo LVT151012.

A primeira detecção confirmada de ondas gravitacionais ocorreu em 14 de setembro de 2015 às 5h51, horário de verão do leste, por ambos os detectores LIGO gêmeos, localizado em Livingston, Louisiana, e Hanford, Washington, EUA. Ele confirmou uma grande previsão da teoria geral da relatividade de Albert Einstein de 1915 e abriu uma nova janela sem precedentes para o cosmos. Contudo, ainda não sabemos como se formam esses pares de buracos negros em fusão.

Um novo jornal, publicado em Nature Communications , descreve os resultados de uma investigação sobre a formação de fontes de ondas gravitacionais com um kit de ferramentas recentemente desenvolvido denominado COMPAS (Compact Object Mergers:Population Astrophysics and Statistics).

Para que os buracos negros se fundam na idade do Universo, emitindo ondas gravitacionais, eles devem começar muito próximos pelos padrões astronômicos, não mais do que cerca de um quinto da distância entre a Terra e o Sol. Contudo, estrelas massivas, quais são os progenitores dos buracos negros que o LIGO observou, expandir para ser muito maior do que isso no curso de sua evolução. O principal desafio, então, é como encaixar essas estrelas grandes em uma órbita muito pequena. Vários cenários possíveis foram propostos para resolver isso.

Os astrofísicos de Birmingham, juntou-se a colaboradora professora Selma de Mink da Universidade de Amsterdã, mostraram que todos os três eventos observados podem ser formados por meio do mesmo canal de formação:evolução binária isolada por meio de uma fase de envelope comum. Neste canal, duas estrelas progenitoras massivas começam em separações bastante amplas. As estrelas interagem conforme se expandem, envolver-se em vários episódios de transferência de massa. O mais recente deles é normalmente um envelope comum - um muito rápido, transferência de massa dinamicamente instável que envolve ambos os núcleos estelares em uma nuvem densa de gás hidrogênio. Ejetar esse gás do sistema tira energia da órbita. Isso traz as duas estrelas suficientemente próximas para que a emissão de ondas gravitacionais seja eficiente, bem no momento em que são pequenos o suficiente para que essa proximidade não os coloque mais em contato. Todo o processo leva alguns milhões de anos para formar dois buracos negros, com um possível atraso subsequente de bilhões de anos antes que os buracos negros se fundam e formem um único buraco negro.

As simulações também ajudaram a equipe a entender as propriedades típicas das estrelas que podem continuar a formar esses pares de buracos negros em fusão e os ambientes onde isso pode acontecer. Por exemplo, a equipe concluiu que a fusão de dois buracos negros com massas significativamente desiguais seria uma forte indicação de que as estrelas se formaram quase inteiramente de hidrogênio e hélio, com outros elementos contribuindo com menos de 0,1% da matéria estelar (para comparação, esta fração é de cerca de 2% no Sol).

Primeiro autor Simon Stevenson, um estudante de doutorado na Universidade de Birmingham, explicou:"A beleza do COMPAS é que ele nos permite combinar todas as nossas observações e começar a montar o quebra-cabeça de como esses buracos negros se fundem, enviando essas ondulações no espaço-tempo que pudemos observar no LIGO. "

O autor sênior, o professor Ilya Mandel, acrescentou:"Este trabalho torna possível buscar uma espécie de 'paleontologia' para as ondas gravitacionais. Um paleontólogo, que nunca viu um dinossauro vivo, pode descobrir como o dinossauro parecia e vivia de seus restos de esqueletos. De maneira semelhante, podemos analisar as fusões de buracos negros, e usar essas observações para descobrir como essas estrelas interagiram durante suas vidas breves, mas intensas. "