GW190814: sinal do LIGO-Virgo-KAGRA sugere três buracos negros

Um sinal invulgar no zumbido de fundo gerado pela fusão de dois buracos negros pode corresponder à primeira deteção de sempre de um sistema com três buracos negros de massa estelar, presos numa espécie de valsa gravitacional.

Uma nova análise de dados da colaboração LIGO-Virgo-KAGRA indica que o registo de uma colisão de buracos negros em binário, observada em 2019, apresenta sinais de uma aceleração anómala - um indício que aponta para a presença de um terceiro buraco negro.

"Esta é a primeira descoberta internacional de evidência clara de um terceiro objeto compacto num evento de fusão de buracos negros em binário", afirma o astrónomo Wen-Biao Han, da Academia Chinesa de Ciências.

"Revela que os buracos negros em binário em GW190814 poderão não se ter formado de forma isolada, mas sim como parte de um sistema gravitacional mais complexo, oferecendo perspetivas significativas sobre as vias de formação de buracos negros em binário."

Ondas gravitacionais e o que as fusões de buracos negros revelam

Desde a primeira deteção de ondas gravitacionais, em 2015, os cientistas já catalogaram cerca de 300 fusões - eventos em que dois buracos negros em binário concluem a sua espiral de aproximação e colidem, unindo-se num único objeto e enviando ondas gravitacionais a ondular pela própria malha do espaço-tempo.

Ao analisar o sinal dessas ondulações, os astrónomos conseguem estimar as massas dos buracos negros envolvidos; algumas fusões sugerem ainda aquilo a que se chama fusões hierárquicas - uma sequência de colisões que vai originando buracos negros cada vez mais massivos.

A razão prende-se com o facto de os buracos negros de massa estelar terem um limite superior de massa no momento em que se formam: é o ponto em que uma estrela muito massiva explode como supernova e expulsa as camadas externas, ficando um núcleo que colapsa sob a sua própria gravidade e dá origem a um buraco negro.

Acima de determinada massa estelar, porém, a explosão destrói tudo por completo, incluindo o núcleo, não ficando nada para colapsar - apenas detritos. Assim, quando é detetado um buraco negro acima desse limite, os cientistas inferem que esse buraco negro é o produto de uma fusão anterior.

GW190814 e o rácio de massas fora do esperado

O evento GW190814 não envolveu um buraco negro acima do limite de massa de formação. Pelo contrário: pensa-se que um dos buracos negros observados seja o mais pequeno do seu tipo alguma vez detetado, tão pequeno que está no limiar de poder ser uma estrela de neutrões - apenas 2.6 vezes a massa do nosso Sol.

O outro buraco negro era muito maior, com cerca de 23 massas solares. Este rácio de massas fica fora do que os modelos de evolução estelar preveem - em geral, espera-se que objetos binários sejam compostos por dois corpos de tamanho semelhante.

Uma equipa liderada por Shu-Cheng Yang, também da Academia Chinesa de Ciências, considera que este desequilíbrio de massas denuncia um passado mais intricado: um par de buracos negros que terá sido atraído e reunido pela força gravitacional de um terceiro objeto, muito mais massivo, em torno do qual o binário orbita.

A hipótese de um terceiro buraco negro no sinal do LIGO-Virgo-KAGRA

Com essa ideia em mente, os investigadores regressaram aos dados das ondas gravitacionais. Se um par de buracos negros estiver a orbitar um terceiro mais massivo, deverá apresentar uma aceleração adicional ao longo da linha de visão, causada pelo movimento orbital em torno desse terceiro buraco negro. A equipa determinou como essa aceleração extra se manifestaria no sinal e, depois, comparou o modelo com os dados de GW190814.

De acordo com o modelo, os dados são compatíveis com uma aceleração na linha de visão de 0.0015 vezes a velocidade da luz no vácuo, com um nível de confiança de cerca de 90% - um indício da existência de um terceiro buraco negro, invisível.

Se esta interpretação estiver correta, então as fusões de buracos negros poderão, pelo menos em algumas circunstâncias, ocorrer em ambientes muito mais complexos do que se pensava. É possível que existam mais indícios destas - e de outras - situações complicadas escondidos nos registos, à espera de ferramentas capazes de os distinguir.

Além disso, o resultado reforça a evidência a favor de fusões hierárquicas, ao sustentar a existência de triplos de buracos negros onde as fusões podem acontecer.

A próxima campanha de observação dos observatórios de ondas gravitacionais LIGO-Virgo-KAGRA deverá trazer uma grande quantidade de novos dados sobre fusões de buracos negros. Talvez também ajude a clarificar os ambientes onde estes eventos têm lugar e as diferentes formas como as interações entre buracos negros se podem desenrolar por todo o Universo.

O estudo foi publicado em Cartas do Jornal Astrofísico.