4283: Detectada a mais poderosa colisão de buracos negros. Criou um “tsunami” gravitacional

CIÊNCIA/ASTROFÍSICA

Maxwell Hamilton / Flickr

O LIGO e a Virgo Scientific Collaboration detectaram ondas gravitacionais provenientes da mais massiva colisão de buracos negros já registada. O resultado final criou um buraco negro gigantesco que pertence a uma nova classe.

Um enigma com um século instigado por Albert Einstein chegou ao fim em 2015, quando o LIGO detectou ondas gravitacionais pela primeira vez. Essas ondulações na própria estrutura do espaço-tempo são criadas por alguns dos cataclismos mais poderosos do cosmos, geralmente quando buracos negros ou estrelas de neutrões colidem.

Desde então, nos últimos cinco anos, o LIGO e outras instalações como a Virgo detectaram dezenas de sinais de ondas gravitacionais.

Agora, a Colaboração captou uma onda gravitacional gigante – como se fosse um “tsunami” gravitacional” que sinalizava a presença de uma colisão gigantesca que criou um novo buraco negro com mais de duas vezes a massa de qualquer outro já detectado por ondas gravitacionais.

O sinal, conhecido como GW190521, foi detectado a 21 de Maio de 2019, assumindo a forma de quatro meneios curtos que duraram menos de um décimo de segundo. Parece terem sido as ondas de choque de uma colisão que ocorreu há cerca de seis mil milhões de anos, entre dois buracos negros com massas de cerca de 65 a 85 vezes a massa do Sol.

O buraco negro remanescente que se formou como resultado tem uma massa de 142 vezes a massa do Sol – e as oito massas solares restantes foram convertidas em energia e levadas como ondas gravitacionais.

Isso significa que todos os três buracos negros envolvidos – os dois progenitores e o resultado da fusão – eram muito mais massivos do que quaisquer outros detectados por ondas gravitacionais até agora.

O registo anterior foi um evento chamado GW170729, que viu buracos negros de 50 e 34 massas solares colidirem para criar um buraco negro remanescente de 80 massas solares.

No entanto, esta colisão massiva não é apenas um novo número. Na verdade, levanta várias questões fundamentais sobre os buracos negros. Especificamente, o remanescente cai numa “lacuna de massa” onde buracos negros normalmente não são encontrados.

Os buracos negros como os conhecemos geralmente enquadram-se em duas categorias: existem buracos negros de massa estelar, que têm massas entre cerca de cinco e várias dezenas de massas solares, e existem buracos negros super-massivos, com massas de milhões ou mesmo bilhões de sóis. Isso deixa uma grande lacuna no meio.

Os astrónomos levantaram a hipótese de que pode haver buracos negros de massa intermediária (IMBHs), com massas entre cerca de 100 e 10 mil massas solares. Embora algumas evidências tenham sido encontradas no passado, a sua existência ainda não foi confirmada.

Além disso, com 85 massas solares, o maior dos dois buracos negros que colidiram também era demasiado grande para se formar a partir de uma estrela que se transforma em super-nova. Em vez disso, os cientistas sugerem que engoliu vários buracos negros mais pequenos no passado.

“Esses buracos negros ‘impossivelmente’ massivos podem ser feitos de dois buracos negros mais pequenos que anteriormente se fundiram”, disse Simon Stevenson, um investigador da equipa, em comunicado. “Se for verdade, temos um grande buraco negro feito de buracos negros mais pequenos, com buracos negros ainda mais pequenos dentro deles – como bonecas russas.”

Este cenário sugere um possível mecanismo para a forma como os buracos negros super-massivos se formam. Os buracos negros de massa estelar podem continuar a colidir ao longo de milhões e milhares de milhões de anos, crescendo cada vez mais até que tenham massa suficiente para manter galáxias inteiras juntas.

“Este é um grande passo para entender a ligação entre os buracos negros mais pequenos que foram vistos por detectores de ondas gravitacionais e os buracos negros massivos que são encontrados no centro das galáxias”, disse David Ottaway, co-autor do estudo.

Dois estudos sobre as descobertas foram publicados nas revistas científicas Physical Review Letters e Astrophysical Journal Letters.

ZAP //

Por ZAP
5 Setembro, 2020

 

spacenews

 

3968: Investigadores descobrem origem e massa máxima de buracos negros observados por detectores de ondas gravitacionais

CIÊNCIA/ASTRONOMIA

Diagrama esquemático do percurso evolutivo de buraco negro binário para GW170729. Uma estrela com menos de 80 massas solares evolui e desenvolve-se numa super-nova de colapso de núcleo. A estrela não sofre instabilidade de par, de modo que não há uma ejecção significativa de massa por pulsação. Depois da estrela formar um núcleo massivo de ferro, colapsa sob a sua própria gravidade e forma um buraco negro abaixo das 38 massas solares. Uma estrela entre 80 e 140 massas solares evolui e transforma-se numa super-nova por instabilidade de par pulsante. Depois da estrela formar um núcleo massivo de carbono-oxigénio, o núcleo sofre uma criação catastrófica de pares electrão-positrão. Isto estimula uma forte pulsação e ejecção parcial dos materiais estelares. Os materiais ejectados formam a nuvem que envolve a estrela. Depois, a estrela continua a evoluir forma um núcleo massivo de ferro, que colapsa de maneira semelhante a uma super-nova comum de colapso de núcleo, mas com um buraco negro com massa final entre 38 e 52 massas solares. Estes dois caminhos podem explicar a origem das massas dos buracos negros binários detectados no evento de ondas gravitacionais GW170729.
Crédito: Shing-Chi Leung et al./Instituto Kavli para Física e Matemática do Universo

Através de simulações de uma estrela moribunda, uma equipa de físicos teóricos descobriu a origem evolutiva e a massa máxima de buracos negros que são descobertos graças à detecção de ondas gravitacionais.

A excitante descoberta de ondas gravitacionais com o LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) e com o Virgo mostrou a presença de buracos negros em sistemas binários íntimos.

As massas dos buracos negros observados foram medidas antes da fusão e resultaram numa massa muito maior do que o esperado anteriormente, cerca de 10 vezes a massa do Sol (massa solar). Num destes eventos, GW170729, a massa observada de um buraco negro, antes da fusão, é na realidade tão grande quanto 50 massas solares. Mas não está claro que tipo de estrela pode formar um buraco negro tão massivo, ou qual a massa máxima para um buraco negro observado pelos detectores de ondas gravitacionais.

Para responder a esta pergunta, uma equipa de investigação do Instituto Kavli para Física e Matemática do Universo estudou o estágio final da evolução de estrelas muito massivas, em particular com 80 a 130 massas solares, em sistemas binários íntimos. O seu achado está ilustrado nos desenhos (a-e) e nos gráficos.

Em sistemas binários íntimos, inicialmente estrelas com 80 a 130 massas solares perdem o seu invólucro rico em hidrogénio e tornam-se estrelas de hélio com 40 a 65 massas solares. Quando as estrelas com massa inicial entre 80 e 130 vezes a do Sol formam núcleos ricos em oxigénio, as estrelas sofrem pulsação dinâmica, porque a temperatura no interior estelar torna-se alta o suficiente para que os fotões sejam convertidos em pares electrão-positrão. Esta “criação de pares” torna o núcleo instável e acelera a contracção para o colapso (ilustração b).

Na estrela super-comprimida, o oxigénio é queimado explosivamente. Isto desencadeia um salto de colapso e em seguida uma rápida expansão da estrela. Uma parte da camada estelar externa é expelida, enquanto a parte mais interna arrefece e colapsa novamente (ilustração c). A pulsação (colapso e expansão) repete-se até que o oxigénio se esgote (ilustração d). Este processo é chamado “instabilidade de par pulsante” (PPI – “pulsational pair-instability”). A estrela forma um núcleo de ferro e colapsa finalmente para um buraco negro, o que desencadeia a explosão de super-nova (ilustração e), chamada super-nova-PPI (PPSISN).

Ao calcularem várias destas pulsações e ejecções associadas de massa até ao colapso da estrela e formação do buraco negro, a equipa descobriu que a massa máxima de um buraco negro formado a partir de uma super-nova-PPI (super-nova por instabilidade de par pulsante) é de 52 massas solares.

As estrelas inicialmente mais massivas do que 130 massas solares (que formam estrelas de hélio com mais de 65 massas solares) passam por uma “super-nova por instabilidade de par” devido à queima explosiva de oxigénio, que interrompe completamente a estrela sem nenhum remanescente de buraco negro. As estrelas acima das 300 massas solares colapsam e podem formar um buraco negro mais massivo do que aproximadamente 150 massas solares.

Os resultados acima preveem a existência de uma “lacuna de massa” na massa do buraco negro entre 52 e aproximadamente 150 massas solares. Os resultados significam que o buraco negro com 50 massas solares em GW170729 é provavelmente o remanescente de uma super-nova por instabilidade de par pulsacional.

O resultado também prevê que um meio circum-estelar massivo seja formado pela perda de massa pulsacional, de modo que a explosão de super-nova associada com a formação do buraco negro induzirá a colisão do material ejectado com o material circum-estelar para se tornar uma super-nova super-luminosa. Os futuros sinais de ondas gravitacionais vão fornecer uma base sobre a qual estas previsões teóricas podem ser testadas.

Astronomia On-line
7 de Julho de 2020

 

spacenews