A prova mais convincente até agora de que existe uma faixa em falta nas massas dos buracos negros acaba de surgir, com a lacuna a começar perto de 45 massas solares.
Este resultado torna mais precisa uma dúvida antiga: como se formam os maiores buracos negros de origem estelar e porque é que, em certos intervalos de massa, eles aparentemente não chegam a formar-se.
A ausência de buracos negros revelada
No catálogo mais recente de ondas gravitacionais, destacou-se um padrão: os componentes mais leves dos pares de buracos negros deixaram de aparecer acima de cerca de 45 massas solares.
Ao analisar em detalhe esses sinais de fusão, Hui Tong, da Monash University, concluiu que a população ausente corresponde a um limite físico real e não a uma simples irregularidade estatística.
A quebra não se manifestou de forma simétrica nos dois lados do sistema binário, o que indica que os buracos negros mais massivos ainda conseguem entrar na zona proibida através de fusões anteriores.
Essa assimetria levou à questão seguinte que o estudo teve de enfrentar: por que motivo a evolução estelar apaga um lado do espectro de massas, enquanto as colisões acabam por repor parte do outro.
Porque é que as estrelas explodem
Há muito que os modelos de evolução estelar antecipavam uma lacuna “proibida”, porque algumas estrelas gigantes podem perder sustentação interna e desencadear uma queima de oxigénio descontrolada.
Esse colapso pode originar uma supernova de instabilidade de pares, uma explosão tão energética que destrói por completo a estrela e não deixa qualquer buraco negro.
Em vez de surgir um remanescente sob a forma de buraco negro, a estrela é aniquilada, criando precisamente a faixa em falta que os investigadores esperavam observar.
Durante décadas, esta explicação circulou como hipótese dominante, mas o Universo ainda não tinha fornecido uma assinatura limpa à escala de toda uma população.
O papel dos companheiros
Como os pares em fusão são descritos por ordem de massa, o elemento mais leve funciona como o teste mais directo da formação “normal” por nascimento estelar.
Um buraco negro “reciclado” de uma colisão anterior tende a surgir como o objecto mais pesado, escondendo a lacuna desse lado do binário.
Já os companheiros mais pequenos têm menor probabilidade de serem reciclados, pelo que a ausência das suas massas mostra com clareza aquilo que as estrelas continuam a não conseguir produzir.
“Os únicos buracos negros neste intervalo de massas são feitos pela fusão de buracos negros mais pequenos, em vez de directamente a partir de estrelas”, afirmou Tong.
A velocidade de rotação dos buracos negros
Um segundo indício veio da rapidez com que os buracos negros rodavam antes de a fusão terminar.
Acima de aproximadamente a mesma massa em que os companheiros mais leves deixam de aparecer, os objectos mais pesados mostraram tendência para rodar mais depressa.
Esta coincidência é mais compatível com fusões hierárquicas - colisões repetidas que constroem um buraco negro a partir de uniões anteriores entre buracos negros - do que com o colapso directo por si só.
Nesta leitura, a faixa em falta não está totalmente vazia: está a ser parcialmente preenchida por buracos negros reciclados.
Eventos de fusão de buracos negros
Quando a equipa voltou a examinar fusões específicas, quatro eventos sobressaíram como candidatos particularmente prováveis a produtos de fusões anteriores entre buracos negros.
Nesses sistemas, um buraco negro mais pesado encontra-se dentro da zona proibida e emparelha com um companheiro mais pequeno, abaixo desse intervalo.
Um evento célebre, designado GW190521, não encaixou de forma inequívoca nesse grupo, porque um dos objectos poderá situar-se para lá da lacuna.
Esta ressalva ajuda a manter firme o limite inferior, mas deixa o extremo mais alto da lacuna muito menos definido.
Dados do interior de estrelas mortas
Esta faixa ausente de massas de buracos negros também remete para o que acontece no interior de estrelas muito massivas perto do fim das suas vidas.
Ao fixar a margem inferior perto de 44 massas solares, a equipa restringiu a intensidade permitida de uma reacção nuclear importante.
Essa reacção influencia a quantidade de oxigénio que a estrela acumula antes da catástrofe, afectando se o colapso culmina numa explosão total ou num remanescente.
A astronomia raramente consegue aferir a física nuclear desta forma, pelo que os buracos negros em falta passam agora a funcionar como dados vindos do interior de estrelas mortas.
É necessária mais investigação
Indícios iniciais de um corte desapareceram quando detecções posteriores revelaram buracos negros mais pesados, pelo que esta conclusão teve de passar por um teste mais exigente.
Ainda assim, o limite inferior mantém-se mesmo depois de excluir a única fusão mais extrema do catálogo, que afecta sobretudo a extremidade superior.
A equipa descartou a hipótese de uma lacuna estreita ou inexistente com 99.9 percent de confiança, uma afirmação consideravelmente mais robusta do que sugestões anteriores.
Mesmo assim, o topo da zona proibida continua a depender em grande medida de um único evento extraordinário e, por isso, permanece provisório.
A lacuna de massas de buracos negros
Comentários públicos após a publicação reforçaram a ideia central do artigo e traduziram um resultado estatístico para uma formulação directa.
“A observação é bem explicada pela instabilidade de pares; não há buracos negros de origem estelar na zona proibida porque as estrelas estão a sofrer supernovas de instabilidade de pares”, disse Tong.
Por trás desta frase simples está a tese mais ampla do estudo: a lacuna é moldada mais pela destruição de estrelas do que pela formação de buracos negros.
Direcções futuras de investigação
Por a lacuna se situar numa escala de massa conhecida, futuros catálogos poderão usá-la para ajudar a estimar a expansão cósmica.
O mesmo padrão poderá também indicar onde as fusões repetidas acontecem com maior frequência, sobretudo em ambientes estelares densos.
Com mais detecções, deverá ficar igualmente mais claro se as direcções de rotação permanecem aleatórias - um sinal de buracos negros que se encontram por encontros casuais.
Se estes testes não se confirmarem, os astrónomos terão de procurar uma explicação diferente para o desaparecimento dos companheiros mais leves exactamente onde a teoria previa.
Uma faixa em falta, rotações mais rápidas e um pequeno conjunto de fusões invulgares apontam agora para a mesma narrativa sobre estrelas gigantes em fim de vida.
Uma nova campanha de observação deverá mostrar se esta zona proibida continua nítida ou se o padrão se torna mais suave à medida que surgem mais dados.
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