A detecção direta de ondas gravitacionais de pelo menos onze fontes durante os últimos cinco anos ofereceu uma confirmação espetacular do modelo de gravidade e espaço-tempo de Einstein, enquanto a modelagem desses eventos forneceu informações sobre a formação de estrelas, rajadas de raios gama, estrelas de nêutrons, a idade do universo, e até mesmo a verificação de ideias sobre como os elementos muito pesados ​​são produzidos. A maioria desses eventos de ondas gravitacionais surgiu da fusão de dois buracos negros de massas comparáveis ​​em um par em órbita. Pares de massa quase iguais são fortemente preferidos em modelos de formação de buraco negro binário, sejam eles resultantes da evolução de estrelas binárias isoladas ou do emparelhamento dinâmico de dois buracos negros. Este ano, Contudo, os observatórios de ondas gravitacionais de LIGO e Virgem relataram a primeira detecção de um par de buracos negros de massa muito desigual, GW190412, cujas massas estimadas são cerca de 30 e oito massas solares. A questão, então, é como eles foram formados?

O astrônomo do CfA Carl Rodriguez liderou uma equipe de colegas em uma investigação teórica de como um binário de massa tão desigual pode se formar. A solução mais óbvia é olhar para um denso aglomerado de estrelas, onde baixa rotação, pares de buracos negros de massa comparáveis ​​podem se formar naturalmente, em parte porque buracos negros massivos e estrelas tendem a afundar em direção ao centro do aglomerado e podem se encontrar mais facilmente. Mas mesmo aí esses encontros dificilmente produzirão um par de massa desigual. O giro de cada buraco negro adiciona mais um fator complicador. O spin é quantificado por um número entre zero e um. Se cada um dos buracos negros em uma fusão tiver um baixo valor de spin, como é esperado, então sua fusão normalmente produzirá um buraco negro mais massivo cujo spin é grande, talvez cerca de 0,7, mas a rotação inferida do buraco negro massivo em GW190412 está bem determinada em cerca de 0,43, sugerindo que não resultou de uma fusão tão simples.

Os astrônomos argumentam que a maneira mais provável de produzir este par improvável pode ser através de duas fusões anteriores de pares de buracos negros no aglomerado, um processo que pode resultar em um buraco negro com o spin inferido correto. Primeiro, dois pares binários de buraco negro cada um se fundem; cada um desses pares tem buracos negros de massas moderadas comparáveis ​​e cada um produz um buraco negro mais massivo. Próximo, esses dois novos buracos negros formam um par binário e depois se fundem, produzindo cerca de 30 massas solares, buraco negro de spin moderado como visto. Então, esse buraco negro emparelha-se com um buraco negro de baixa massa para formar o binário cujo colapso produziu o evento visto como GW190412. (Variantes de várias etapas semelhantes também são possíveis.)

Embora tal série de eventos seja rara, os cientistas mostram que os aglomerados de estrelas conhecidos podem fornecer os ambientes certos para que ocorra. O novo resultado e análise, como no caso de descobertas de ondas gravitacionais anteriores, expandiram nossa visão da variedade cósmica ao mesmo tempo em que abordavam suposições fundamentais. Uma dessas suposições é que os buracos negros são normalmente formados a partir do colapso estelar com baixos spins. Trabalhos futuros mostrarão se um processo de fusão de três etapas é necessário para explicar eventos como GW190412, ou se suposições como esta sobre o spin precisam ser desafiadas.