Uma equipa de investigadores do IGFAE (Instituto Galego de Física de Altas Enerxías) e da CUHK (Chinese University of Hong Kong) publicou um artigo científico na revista The Astrophysical Journal propondo um novo método para reconstruir a "árvore genealógica" dos buracos negros. A abordagem desta investigação oferece uma forma de inferir as propriedades dos buracos negros "progenitores" destas fusões, um dos eventos mais brutais que podem ser observados no Universo. Como resultado destas fusões, são geradas ondas gravitacionais, uma espécie de "rugas" no espaço-tempo que viajam à velocidade da luz e que podem atualmente ser detetadas através dos instrumentos desenvolvidos por colaborações internacionais como o Virgo, Kagra ou LIGO.

Desvendando a árvore genealógica dos buracos negros

Através da análise das ondas gravitacionais, é possível obter informações sobre a fusão de buracos negros, tais como as suas massas, a direção da sua rotação e outras pistas sobre as suas origens. Na maioria dos casos, os buracos negros formam-se a partir dos remanescentes de estrelas massivas que colapsaram sob a sua própria gravidade depois de esgotarem o seu combustível nuclear.

No entanto, de acordo com as teorias astrofísicas, existe um tipo de "vácuo" no qual os buracos negros não se podem formar diretamente a partir do colapso estelar, e que é conhecido como o "intervalo de massa de instabilidade do par". Pensa-se que os buracos negros dentro deste intervalo têm origem em fusões hierárquicas, ou seja, fusões sucessivas de buracos negros "ancestrais" mais pequenos, cada uma das quais forma um buraco negro progressivamente mais massivo. Formam assim uma espécie de árvore genealógica na qual esta investigação pretende mergulhar.

Embora esta explicação pareça simples, o processo não é trivial. Para que um buraco negro possa participar em sucessivas fusões, tem de permanecer ligado ao seu ambiente hospedeiro, como uma galáxia ou um enxame denso de estrelas. No entanto, os buracos negros produzidos em fusões adquirem uma velocidade de recuo, ou "coice", que pode atingir milhares de quilómetros por segundo, o suficiente para os expulsar da maioria dos ambientes hospedeiros. Por exemplo, nos enxames globulares, que são considerados hospedeiros chave para fusões de buracos negros, a velocidade de escape é apenas de cerca de 50 km/s. Embora a rotação e a massa dos buracos negros possam ser medidas diretamente a partir de sinais de ondas gravitacionais, a velocidade de recuo depende das propriedades dos "antepassados" dos buracos negros em fusão, que não podem ser observados diretamente.

"Com este tipo de estudo, podemos não só adivinhar os antepassados dos buracos negros que observamos. Podemos também adivinhar em que tipo de ambiente (se é que existe algum!) este processo pode ter ocorrido. Se nenhum ambiente for viável e estes buracos negros não puderem ser o resultado de fusões anteriores, poderemos ter de repensar a evolução estelar ou considerar que talvez nem sequer estejamos a observar buracos negros", afirma o professor Juan Calderón Bustillo, bolseiro Ramón y Cajal do IGFAE, centro conjunto da Universidade de Santiago de Compostela e da Junta da Galiza, coautor do estudo.

Análise do misterioso sinal GW190521

A equipa aplicou esta técnica ao misterioso sinal de ondas gravitacionais GW190521, que envolve um buraco negro que cai no "intervalo proibido de massa". "Descobrimos que, de acordo com as propriedades que certos grupos encontraram para este buraco negro, é improvável que se tenha formado num enxame globular devido aos grandes pontapés que este buraco negro pode ter herdado", diz Carlos Araujo, estudante de mestrado no Instituto de Astrofísica das Canárias e antigo aluno na Universidade de Santiago de Compostela.

"De facto, ambientes com maiores velocidades de escape, como os NGAs (Núcleos Galácticos Activos) ou nos enxames de estrelas no núcleo de uma galáxia, parecem mais plausíveis, devido à sua capacidade de reter buracos negros com grandes 'pontapés'. Isto alinha-se com os estudos existentes que sugerem que GW190521 ocorreu num NGA", diz Henry Wong, antigo aluno da CUHK e agora cientista de dados no setor privado.

"Descobrimos que podemos aceder ao impulso de nascimento do buraco negro porque este está intimamente ligado à sua rotação. Infelizmente, hoje em dia não podemos medir as rotações com muita precisão, o que é um dos fatores limitantes do nosso estudo. À medida que o LIGO e o Virgo continuam a aumentar a sua sensibilidade e que os novos detetores de terceira geração entram em funcionamento, o nosso método fornecerá informações mais pormenorizadas sobre a genealogia dos buracos negros que observamos", afirma Ania Liu, coautora do estudo e estudante de doutoramento na CUHK.

// IGFAE (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (The Astrophysical Journal)

Quer saber mais?

Buracos negros:
Wikipedia
Buraco negro de massa estelar (Wikipedia)
Buraco negro de massa intermédia (Wikipedia)
Buraco negro supermassivo (Wikipedia)

Ondas gravitacionais:
GraceDB (Gravitational Wave Candidate Event Database)
Wikipedia
Astronomia de ondas gravitacionais - Wikipedia
Ondas gravitacionais: como distorcem o espaço - Universe Today
Detetores: como funcionam - Universe Today
As fontes de ondas gravitacionais - Universe Today
O que é uma onda gravitacional (YouTube)

Velocidade de escape:
Wikipedia

GW190521:
LIGO
Folheto PDF do LIGO
Wikipedia

LIGO:
Página oficial
Caltech
Advanced LIGO
Wikipedia

Virgo:
EGO
Wikipedia

KAGRA:
Página oficial
Wikipedia