Como e onde os buracos negros se formaram? Estudo faz “DNA cósmico”

Conhecido como o “pai do buraco negro” por ter cunhado este termo, o físico teórico norte-americano John Wheeler é também o autor de uma curiosa ideia chamada “teoria da calvície”, que propõe que “os buracos negros não têm cabelo”.

Por mais engraçada que possa parecer (afinal, Wheeler também não tinha cabelo), a tese reflete uma das propriedades mais marcantes dos buracos negros: a sua simplicidade, que não permite identificar seu mecanismo de formação ou a sua época de origem.

Agora, essa simplicidade, um dos poucos casos na física onde a complexidade diminui em vez de aumentar, está ajudando uma equipe liderada por pesquisadores da Universidade de Cardiff, no Reino Unido, a determinar como e onde os buracos negros se formaram.

Publicado na revista Physical Review Letters, o estudo testa a hipótese de que a população dos buracos negros observados atualmente é amplamente composta por objetos formados em ambientes densos, onde fusões ocorreram repetidamente, o que pode alterar nossa compreensão sobre esses objetos.

Esses testes de memória genética cósmica utilizam as chamadas ondas gravitacionais, perturbações dinâmicas no tecido do espaço-tempo, que se propagam como resultado das interações entre matéria e gravidade em sua forma mais extrema.

Analisando os padrões de giro de buracos negros

Para testar suas hipóteses, a equipe examinou um catálogo público com 69 eventos de ondas gravitacionais envolvendo buracos negros binários detectados pelos observatórios LIGO e Virgo, localizados respectivamente nos EUA e na Itália.

Eles descobriram que o spin, uma “assinatura de movimento” do buraco negro (que nos diz o quão rápido e em qual direção ele está girando), muda ao atingir uma determinada massa. Isso sugere que esse spin pode ser o resultado de uma longa série de fusões anteriores.

Quando afirmam que o spin muda com a massa, os autores falam de mudanças nesse “padrão de giro” que não seriam esperadas caso o buraco negro se “alimentasse” só de matéria, aos poucos. As mudanças sugerem que ele deve ter crescido por meio de colisões com outros buracos negros.

Segundo o autor principal do estudo, Fabio Antonini, da Universidade de Cardiff, “À medida que observamos mais fusões de buracos negros com detectores de ondas gravitacionais como LIGO e Virgo, fica cada vez mais claro que os buracos negros exibem massas e spins diversos”.

Para o astrofísico teórico, isso é um forte indício de que eles podem ter se formado de maneiras diferentes. No entanto, identificar “qual desses cenários de formação é o mais comum tem sido desafiador”, conclui.

Analisando dados de ondas gravitacionais, as ondulações no espaço-tempo que nos permitem “ouvir” as colisões de buracos negros, a equipe conseguiu identificar um “ponto de virada” na massa dos buracos negros onde seu padrão de rotação (spin) muda de forma consistente.

Foi como se tivessem descoberto uma linha divisória baseada nos spins: de um lado, os buracos negros abaixo de certa massa com um tipo de rotação, e, acima dessa massa, buracos negros formados por colisões sucessivas dentro de aglomerados de estrelas.

Criando um paradigma para identificar buracos negros

O resultado desse estudo é uma forma confiável de identificar como alguns buracos negros se formaram, sem depender de teorias específicas ou modelos matemáticos complexos.

Se até agora era muito difícil saber com certeza a origem dos buracos negros, o novo método surge como uma espécie de impressão digital única. Ele revela a história do buraco negro de forma clara e independente da teoria ou modelo escolhidos para estudá-la.

Para a coautora Isabel Romero-Shaw, pesquisadora da Universidade de Cambridge, o estudo mostra que a “maneira como ele [buraco negro] gira é um forte indicador de que pertence a um grupo de buracos negros de alta massa”.

Esses objetos se formam em grupos de estrelas mantidos juntos pela gravidade, em um espaço relativamente pequeno. Nesse cenário, explica a pós-doutoranda em um release, “pequenos buracos negros colidem e se fundem repetidamente uns com os outros”.

Além de fornecer novos dados para refinar modelos computacionais que simulam a formação de buracos negros, esse estudo orientará a forma como detecções de ondas gravitacionais serão feitas no futuro.

Assim, quando o LIGO e outros detectores mais avançados (como o futuro Telescópio Einstein) captarem sinais inéditos de fusões de buracos negros, os cientistas estarão preparados para comparar esses sinais com as previsões dos modelos atualizados, em um ciclo contínuo de aperfeiçoamento.

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