Sinal estranho do LIGO-Virgo-KAGRA pode indicar terceiro buraco negro em GW190814

Um zumbido de fundo e um possível trio de buracos negros

Um sinal estranho, escondido no zumbido de fundo produzido pela fusão de dois buracos negros, pode representar a primeira deteção de um sistema com três buracos negros de massa estelar presos numa espécie de valsa gravitacional.

Uma nova análise de medições da colaboração LIGO-Virgo-KAGRA indica que um evento observado em 2019 - a colisão de um sistema binário de buracos negros - trouxe indícios de uma aceleração anómala. Esse comportamento, segundo os autores, é compatível com a influência de um terceiro buraco negro.

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

"Isso revela que os buracos negros binários em GW190814 podem não ter se formado em isolamento, mas fizeram parte de um sistema gravitacional mais complexo, oferecendo perceções significativas sobre as vias de formação de buracos negros binários."

O que as ondas gravitacionais revelam sobre fusões de buracos negros

Desde a primeira deteção de ondas gravitacionais, em 2015, os cientistas já catalogaram cerca de 300 fusões - episódios em que dois buracos negros num sistema binário terminam a sua espiral de aproximação, colidem, coalescem num único objeto e enviam ondas gravitacionais a ondular o próprio tecido do espaço-tempo.

Ao estudar os detalhes desses sinais, astrónomos conseguem estimar as massas dos buracos negros envolvidos. Em alguns casos, as medições sugerem o que se chama de fusões hierárquicas: uma sequência de fusões que, passo a passo, gera buracos negros cada vez mais massivos.

A razão para isso é que buracos negros de massa estelar têm um limite superior de massa no momento da formação. Ele está ligado ao ponto em que uma estrela muito massiva explode como supernova e perde as suas camadas externas, deixando um núcleo que colapsa sob a própria gravidade e se torna um buraco negro.

Acima de determinada massa estelar, porém, o processo muda: a estrela pode explodir por completo, incluindo o núcleo, sem deixar um remanescente compacto - apenas detritos. Por isso, quando se identifica um buraco negro acima desse limite, a interpretação comum é que ele foi produzido por uma fusão anterior.

Por que o evento GW190814 foge ao esperado

O evento GW190814 não envolveu um buraco negro acima do limite de massa de formação. Pelo contrário: um dos objetos do par é apontado como o menor buraco negro já detetado, tão leve que fica no limiar entre buraco negro e estrela de neutrões - com apenas 2,6 vezes a massa do nosso Sol.

O outro buraco negro era bem mais pesado, com cerca de 23 massas solares. Essa proporção entre as massas foge do que muitos modelos de evolução estelar preveem, já que sistemas binários tendem, em geral, a reunir dois objetos de tamanhos semelhantes.

A pista na aceleração ao longo da linha de visão

Uma equipa liderada por Shu-Cheng Yang, também da Academia Chinesa de Ciências, propõe que essa razão de massas aponta para uma história mais intrincada: dois buracos negros teriam sido aproximados pela atração gravitacional de um terceiro objeto muito maior, em torno do qual o binário estaria a orbitar.

Com essa hipótese, o grupo reexaminou os dados de ondas gravitacionais. Se dois buracos negros orbitam um terceiro mais massivo, o par deve apresentar uma aceleração adicional ao longo da linha de visão, causada pelo movimento orbital em torno do terceiro buraco negro. Os investigadores calcularam como esse efeito deveria aparecer nos dados e, em seguida, compararam o modelo ao sinal de GW190814.

De acordo com a modelagem, as medições 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 presença de um terceiro buraco negro, não observado diretamente.

Implicações para fusões hierárquicas e para novas observações

Se essa leitura estiver correta, ela sugere que, pelo menos em algumas situações, fusões de buracos negros podem ocorrer em cenários muito mais complexos do que se supunha. É possível, inclusive, que haja mais sinais de condições complicadas - estas e outras - escondidos nos dados, à espera de ferramentas capazes de separá-los.

Além disso, o resultado reforça a ideia de fusões hierárquicas, ao sustentar a existência de trios de buracos negros nos quais essas fusões podem acontecer.

A próxima campanha de observações dos detetores de ondas gravitacionais LIGO-Virgo-KAGRA deve trazer uma grande quantidade de novos registos de fusões de buracos negros. Talvez ela ajude também a esclarecer os ambientes em que esses eventos ocorrem e as diferentes formas como as interações entre buracos negros podem desenrolar-se pelo Universo.

O estudo foi publicado nas Cartas do Jornal Astrofísico.