p Apesar de todo o seu vasto vazio, o universo está zumbindo com atividade na forma de ondas gravitacionais. Produzido por fenômenos astrofísicos extremos, essas reverberações ondulam e sacodem o tecido do espaço-tempo, como o toque de um sino cósmico. p Agora, os pesquisadores detectaram um sinal do que pode ser a fusão de buracos negros mais massiva já observada em ondas gravitacionais. O produto da fusão é a primeira detecção clara de um buraco negro de "massa intermediária", com uma massa entre 100 e 1, 000 vezes a do sol.

p Eles detectaram o sinal, que eles rotularam GW190521, em 21 de maio, 2019, com o Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) da National Science Foundation, um par de idênticos, Interferômetros de 4 quilômetros de comprimento nos Estados Unidos; e Virgem, um detector de 3 quilômetros de comprimento na Itália.

p O sinal, assemelhando-se a cerca de quatro meneios curtos, é extremamente breve em duração, durando menos de um décimo de segundo. Pelo que os pesquisadores podem dizer, GW190521 foi gerado por uma fonte que está a cerca de 5 gigaparsecs de distância, quando o universo tinha cerca de metade de sua idade, tornando-o uma das fontes de ondas gravitacionais mais distantes detectadas até agora.

p Quanto ao que produziu este sinal, baseado em um poderoso conjunto de ferramentas computacionais e de modelagem de última geração, os cientistas pensam que GW190521 foi provavelmente gerado por uma fusão de buraco negro binário com propriedades incomuns.

p Quase todos os sinais de ondas gravitacionais confirmados até agora foram de uma fusão binária, entre dois buracos negros ou duas estrelas de nêutrons. Esta fusão mais recente parece ser a mais massiva até agora, envolvendo dois buracos negros inspiradores com massas cerca de 85 e 66 vezes a massa do sol.

p A equipe do LIGO-Virgo também mediu o giro de cada buraco negro e descobriu que, à medida que os buracos negros circulavam cada vez mais próximos, eles poderiam estar girando em torno de seus próprios machados, em ângulos que estavam fora de alinhamento com o eixo de sua órbita. Os spins desalinhados dos buracos negros provavelmente causaram a oscilação de suas órbitas, ou "precess, "enquanto os dois Golias espiralavam um em direção ao outro.

p O novo sinal provavelmente representa o instante em que os dois buracos negros se fundiram. A fusão criou um buraco negro ainda mais massivo, de cerca de 142 massas solares, e liberou uma enorme quantidade de energia, equivalente a cerca de 8 massas solares, espalhou-se pelo universo na forma de ondas gravitacionais.

p "Isso não se parece muito com um chilrear, que é o que normalmente detectamos, "diz o membro de Virgem Nelson Christensen, um pesquisador do Centro Nacional Francês de Pesquisa Científica (CNRS), comparando o sinal com a primeira detecção de ondas gravitacionais do LIGO em 2015. "Isso é mais como algo que faz 'bang, 'e é o sinal mais massivo que LIGO e Virgem já viram. "

p A equipe internacional de cientistas, que compõem a Colaboração Científica LIGO (LSC) e a Colaboração Virgo, relataram suas descobertas em dois artigos publicados hoje. 1, aparecendo em Cartas de revisão física , detalha a descoberta, e o outro, no The Astrophysical Journal Letters , discute as propriedades físicas do sinal e implicações astrofísicas.

p “O LIGO mais uma vez nos surpreende não apenas com a detecção de buracos negros em tamanhos difíceis de explicar, mas fazê-lo usando técnicas que não foram projetadas especificamente para fusões estelares, "diz Pedro Marronetti, diretor do programa de física gravitacional da National Science Foundation. "Isso é de extrema importância, pois mostra a capacidade do instrumento de detectar sinais de eventos astrofísicos totalmente imprevistos. O LIGO mostra que também pode observar o inesperado."

p Na lacuna de massa

p As massas excepcionalmente grandes dos dois buracos negros inspiradores, bem como o buraco negro final, levanta uma série de questões sobre sua formação.

p Todos os buracos negros observados até o momento se enquadram em uma de duas categorias:buracos negros de massa estelar, que medem desde algumas massas solares até dezenas de massas solares e acredita-se que se formem quando estrelas massivas morrem; ou buracos negros supermassivos, como aquela no centro da Via Láctea, que são de centenas de milhares, a bilhões de vezes mais do que o nosso sol.

p Contudo, o buraco negro final de 142 massas solares produzido pela fusão GW190521 está dentro de uma faixa de massa intermediária entre buracos negros de massa estelar e supermassivos - o primeiro de seu tipo já detectado.

p Os dois buracos negros progenitores que produziram o buraco negro final também parecem ser únicos em seu tamanho. Eles são tão grandes que os cientistas suspeitam que um ou ambos podem não ter se formado a partir de uma estrela em colapso, como fazem a maioria dos buracos negros de massa estelar.

p De acordo com a física da evolução estelar, a pressão externa dos fótons e do gás no núcleo de uma estrela a apóia contra a força da gravidade que a empurra para dentro, para que a estrela fique estável, como o sol. Depois que o núcleo de uma estrela massiva funde núcleos pesados ​​como o ferro, não pode mais produzir pressão suficiente para suportar as camadas externas. Quando esta pressão externa é menor que a gravidade, a estrela colapsa sob seu próprio peso, em uma explosão chamada supernova de colapso do núcleo, que pode deixar para trás um buraco negro.

p Esse processo pode explicar como estrelas com a massa de 130 massas solares podem produzir buracos negros de até 65 massas solares. Mas para estrelas mais pesadas, um fenômeno conhecido como "instabilidade do par" é pensado para entrar em ação. Quando os fótons do núcleo tornam-se extremamente energéticos, eles podem se transformar em um par de elétrons e antielétrons. Esses pares geram menos pressão do que os fótons, fazendo com que a estrela se torne instável contra o colapso gravitacional, e a explosão resultante é forte o suficiente para não deixar nada para trás. Estrelas ainda mais massivas, acima de 200 massas solares, acabaria por colapsar diretamente em um buraco negro de pelo menos 120 massas solares. Uma estrela em colapso, então, não deve ser capaz de produzir um buraco negro entre aproximadamente 65 e 120 massas solares - uma faixa conhecida como "lacuna de massa de instabilidade de par".

p Mas agora, o mais pesado dos dois buracos negros que produziram o sinal GW190521, a 85 massas solares, é o primeiro até agora detectado dentro da lacuna de massa de instabilidade do par.

p "O fato de estarmos vendo um buraco negro nesta lacuna de massa fará com que muitos astrofísicos coçam a cabeça e tentem descobrir como esses buracos negros foram feitos, "diz Christensen, quem é o diretor do Laboratório Artemis no Observatório de Nice, na França.

p Uma possibilidade, que os pesquisadores consideram em seu segundo artigo, é de uma fusão hierárquica, em que os próprios buracos negros progenitores podem ter se formado a partir da fusão de dois buracos negros menores, antes de migrar juntos e, eventualmente, mesclar.

p "Este evento abre mais perguntas do que fornece respostas, "diz o membro do LIGO Alan Weinstein, professor de física na Caltech. "Do ponto de vista da descoberta e da física, é uma coisa muito emocionante. "

p "Algo inesperado"

p Existem muitas perguntas restantes sobre GW190521.

p Enquanto os detectores LIGO e Virgem ouvem as ondas gravitacionais passando pela Terra, pesquisas automatizadas vasculham os dados de entrada em busca de sinais interessantes. Essas pesquisas podem usar dois métodos diferentes:algoritmos que selecionam padrões de onda específicos nos dados que podem ter sido produzidos por sistemas binários compactos; e pesquisas "burst" mais gerais, que essencialmente procuram por algo fora do comum.

p Salvatore Vitale, membro do LIGO, professor assistente de física no MIT, compara pesquisas binárias compactas a "passar um pente pelos dados, que vai pegar as coisas em um certo espaçamento, "em contraste com buscas em explosão que são mais de uma abordagem" pega-tudo ".

p No caso de GW190521, foi uma busca rápida que captou o sinal um pouco mais claramente, abrindo a chance muito pequena de que as ondas gravitacionais surgiram de algo diferente de uma fusão binária.

p "O nível de exigência para afirmar que descobrimos algo novo é muito alto, "Weinstein diz." Então, normalmente aplicamos a navalha de Occam:a solução mais simples é a melhor, que, neste caso, é um buraco negro binário. "

p Mas e se algo inteiramente novo produzisse essas ondas gravitacionais? É uma perspectiva tentadora, e em seu artigo os cientistas consideram brevemente outras fontes no universo que podem ter produzido o sinal que detectaram. Por exemplo, talvez as ondas gravitacionais tenham sido emitidas por uma estrela em colapso em nossa galáxia. O sinal também pode ser de uma cadeia cósmica produzida logo após o universo inflar em seus primeiros momentos - embora nenhuma dessas possibilidades exóticas corresponda aos dados, bem como uma fusão binária.

p "Desde que ligamos o LIGO pela primeira vez, tudo o que observamos com confiança foi uma colisão de buracos negros ou estrelas de nêutrons, "Weinstein diz" Este é o único evento em que nossa análise permite a possibilidade de que este evento não seja uma colisão. Embora este evento seja consistente com ser de uma fusão de buraco negro binário excepcionalmente massiva, e explicações alternativas são desfavorecidas, está ultrapassando os limites da nossa confiança. E isso potencialmente o torna extremamente emocionante. Porque todos esperamos por algo novo, algo inesperado, isso pode desafiar o que já aprendemos. Este evento tem potencial para fazer isso. "