Astrônomos acabam de resolver o mistério dos buracos negros “impossíveis”

Em 2023, os astrónomos testemunharam um evento dramático: dois buracos negros extraordinariamente massivos colidiram a cerca de 7 mil milhões de anos-luz de distância. Seu imenso tamanho e rotação rápida desafiavam qualquer explicação. De acordo com as teorias existentes, buracos negros como estes simplesmente não deveriam existir.

Pesquisadores do Centro de Astrofísica Computacional (CCA) do Flatiron Institute e de instituições parceiras descobriram agora como esses gigantes cósmicos podem se formar e eventualmente colidir. Ao traçar os ciclos de vida das estrelas que deram origem a estes buracos negros, a equipa descobriu que os campos magnéticos – há muito negligenciados nos modelos anteriores – desempenham um papel crucial.

“Ninguém considerou estes sistemas da mesma forma que nós; anteriormente, os astrónomos apenas tomavam um atalho e negligenciavam os campos magnéticos,” explica Ore Gottlieb, astrofísico do CCA e principal autor do estudo, que aparece no As cartas do jornal astrofísico. “Mas uma vez considerados os campos magnéticos, podemos realmente explicar as origens deste evento único.”

A colisão de 2023 que desafiou a teoria do buraco negro

A queda cósmica, agora conhecida como GW231123, foi detectada pelos observatórios LIGO-Virgo-KAGRA, que medem ondas gravitacionais – as ondulações no espaço-tempo produzidas por movimentos celestes massivos.

No momento da detecção, os astrónomos não conseguiam compreender como se formaram buracos negros tão enormes e de rotação rápida. Quando uma estrela massiva esgota o seu combustível, normalmente entra em colapso e explode numa supernova, deixando para trás um buraco negro mais pequeno. No entanto, estrelas dentro de uma faixa de massa específica experimentam um tipo de explosão especialmente violento chamado supernova de instabilidade de par, que destrói a estrela completamente.

“Como resultado destas supernovas, não esperamos que se formem buracos negros com cerca de 70 a 140 vezes a massa do Sol”, diz Gottlieb. “Portanto, foi intrigante ver buracos negros com massa dentro desta lacuna.”

Simulações revelam uma força oculta em ação

Uma possível explicação é que os buracos negros dentro desta “lacuna de massa” se formam indiretamente, através da fusão de buracos negros menores. Mas no caso do GW231123, isso parecia improvável. As fusões são tipicamente caóticas, perturbando a rotação do buraco negro resultante. No entanto, os dois buracos negros envolvidos em GW231123 giravam perto da velocidade da luz – a mais rápida alguma vez observada – tornando tal cenário improvável.

Para resolver o mistério, Gottlieb e sua equipe realizaram uma simulação em duas etapas. Primeiro, eles modelaram uma estrela massiva com 250 vezes a massa do Sol durante sua vida e morte. No momento em que explodiu como supernova, já tinha queimado combustível suficiente para encolher para cerca de 150 massas solares – logo acima da diferença teórica de massa, deixando para trás um buraco negro.

A próxima fase introduziu campos magnéticos na imagem. O modelo começou com os restos da supernova: uma nuvem rodopiante de detritos estelares contendo campos magnéticos e um buraco negro recém-nascido no centro. As teorias anteriores presumiam que todo o material restante cairia no buraco negro, mas as novas simulações pintaram um quadro diferente.

Como o magnetismo remodela o destino de uma estrela em colapso

Se uma estrela em colapso não estiver girando, a matéria circundante cairá diretamente no buraco negro. Mas quando uma estrela gira rapidamente, esse material forma um disco em torno do buraco negro, alimentando-o ao longo do tempo e aumentando a sua rotação. Os campos magnéticos, no entanto, perturbam este processo. Sua pressão pode expelir parte do material quase à velocidade da luz, evitando que ele caia.

Esta ejeção de matéria reduz a quantidade de material que o buraco negro absorve. Quanto mais fortes os campos magnéticos, mais massa é expelida. Em casos extremos, até metade da massa da estrela original pode ser perdida devido a estes fluxos. Nas simulações da equipe, esse mecanismo produziu naturalmente um buraco negro cuja massa estava dentro da faixa antes “proibida”.

“Descobrimos que a presença de rotação e de campos magnéticos pode alterar fundamentalmente a evolução pós-colapso da estrela, tornando a massa do buraco negro potencialmente significativamente menor do que a massa total da estrela em colapso”, diz Gottlieb.

Vinculando massa e rotação do buraco negro

Os resultados apontam para uma relação intrigante entre a massa de um buraco negro e a rapidez com que gira. Campos magnéticos mais fortes podem retardar a rotação de um buraco negro e remover mais massa estelar, levando a buracos negros menores e mais lentos. Os campos mais fracos, por outro lado, permitem a formação de campos mais pesados ​​e de rotação mais rápida. Este padrão poderá revelar uma lei mais ampla que liga massa e rotação – uma relação que observações futuras poderão confirmar.

Atualmente, nenhum outro sistema de buraco negro conhecido pode testar esta ligação, mas os astrónomos esperam que as próximas deteções revelem mais exemplos como o GW231123.

Explosões de luz dos eventos mais sombrios

As simulações também prevêem que estes processos magnéticos produzem explosões de raios gama durante a formação de buracos negros. A detecção de tais flashes de raios gama poderia ajudar a confirmar a teoria e mostrar quão comuns são realmente esses buracos negros massivos.

Se verificadas, estas descobertas não só explicariam uma colisão “impossível”, mas também remodelariam a forma como os cientistas entendem um dos objetos mais extremos e fascinantes do Universo.