A lacuna de massas dos buracos negros começa perto de 45 massas solares

A evidência mais nítida até agora de uma faixa em falta nas massas dos buracos negros acaba de surgir, com a lacuna a começar perto de 45 vezes a massa do Sol.

O trabalho torna mais precisa uma dúvida antiga sobre a forma como se formam os maiores buracos negros de origem estelar - e sobre a razão pela qual alguns, ao que tudo indica, simplesmente não chegam a formar-se.

A ausência de buracos negros é revelada

No catálogo mais recente de ondas gravitacionais, houve um traço que se destacou: os membros mais leves dos pares de buracos negros deixaram de aparecer acima de cerca de 45 massas solares.

Ao analisar em detalhe esses sinais de fusão, Hui Tong, da Universidade de Monash, mostrou que esta população em falta corresponde a um limite real e não a um acaso estatístico.

A quebra não surgiu dos dois lados do sistema binário. Isto sugere que os buracos negros mais massivos ainda podem entrar na zona proibida por via de fusões anteriores.

É precisamente este padrão assimétrico que levou o artigo à questão seguinte: porque é que a evolução estelar apaga um lado do espectro de massas, enquanto as colisões voltam a preencher o outro.

Porque é que as estrelas explodem

Há muito que os modelos de evolução estelar antecipavam uma lacuna “interdita”, porque algumas estrelas gigantes perdem suporte de pressão e desencadeiam uma combustão de oxigénio em regime descontrolado.

Esse colapso pode provocar uma supernova por instabilidade de pares - uma explosão que destrói por completo a estrela, sem deixar qualquer buraco negro.

Em vez de produzir um remanescente sob a forma de buraco negro, a estrela desaparece, criando a faixa ausente que os investigadores esperavam encontrar.

Durante décadas, esta explicação foi sendo repetida, mas faltava ainda um sinal limpo, visível à escala de toda uma população no céu.

O papel dos companheiros

Como os pares em fusão são descritos por ordem de massa, o membro mais leve fornece o teste mais claro da formação “normal” a partir de estrelas.

Qualquer buraco negro “reciclado” por um choque anterior tende a surgir como o objecto mais pesado, o que disfarça a lacuna desse lado.

Os companheiros mais pequenos têm menor probabilidade de serem reciclados, pelo que a ausência das suas massas mostra de forma directa aquilo que as estrelas continuam a não conseguir produzir.

“Os únicos buracos negros neste intervalo de massas são feitos através da fusão de buracos negros mais pequenos, em vez de se formarem directamente a partir de estrelas”, afirmou Tong.

A velocidade de rotação dos buracos negros

Outra pista apareceu na rapidez com que os buracos negros rodavam antes de as fusões terminarem.

Acima de praticamente a mesma massa em que os companheiros mais leves deixam de surgir, os objectos mais pesados mostravam tendência para rodar mais depressa.

Essa coincidência é mais compatível com fusões hierárquicas - colisões repetidas que constroem um buraco negro a partir de uniões anteriores entre buracos negros - do que com o colapso directo, por si só.

Nesta leitura, a faixa em falta não está verdadeiramente vazia: está a ser parcialmente preenchida por buracos negros reciclados.

Eventos de fusão de buracos negros

Quando a equipa voltou a examinar fusões individuais, quatro eventos destacaram-se como particularmente prováveis produtos de fusões prévias entre buracos negros.

Nesses sistemas, um buraco negro mais pesado dentro da zona proibida emparelha com um companheiro mais pequeno abaixo desse limiar.

Um evento famoso de fusão de buracos negros, chamado GW190521, não encaixou de forma limpa nesse grupo, porque um dos objectos pode situar-se para lá da lacuna.

Esta ressalva mantém sólido o limite inferior, mas deixa muito menos estabelecida a extremidade mais distante da lacuna.

Dados vindos do interior de estrelas mortas

Este intervalo ausente nas massas dos buracos negros também remete para o que acontece no interior de estrelas muito massivas quando se aproximam do fim das suas vidas.

Ao fixar a borda inferior perto de 44 massas solares, a equipa restringiu a intensidade admissível de uma reacção nuclear importante.

Essa reacção ajuda a determinar quanto oxigénio uma estrela acumula antes da catástrofe, influenciando se o colapso termina numa explosão total ou num remanescente.

Raramente a astronomia mede a física nuclear desta forma; assim, a ausência de buracos negros passa agora a funcionar como um conjunto de dados “vindos do interior” de estrelas já mortas.

É necessária mais investigação

Indícios iniciais de um corte desapareceram quando detecções posteriores revelaram buracos negros mais pesados; por isso, esta afirmação teve de enfrentar um teste mais exigente.

Agora, o limite inferior mantém-se mesmo depois de excluir a única fusão mais extrema do catálogo, que afecta sobretudo a extremidade superior.

A equipa rejeitou a hipótese de uma lacuna estreita - ou de inexistência de lacuna - com 99.9 por cento de confiança, uma conclusão bem mais robusta do que as sugestões anteriores.

Ainda assim, o topo da zona proibida continua a depender fortemente de um evento extraordinário e permanece provisório.

A lacuna de massas dos buracos negros

Comentários públicos após a publicação repetiram a afirmação central do artigo e transformaram um resultado estatístico em linguagem directa.

“A observação é bem explicada pela instabilidade de pares; não há buracos negros de origem estelar na zona proibida porque as estrelas estão a sofrer supernovas por instabilidade de pares”, disse Tong.

Por trás desta frase simples está a mensagem mais ampla do estudo: a lacuna é moldada mais pela destruição de estrelas do que pela formação de buracos negros.

Direcções de investigação futuras

Por a lacuna ocorrer numa escala de massa conhecida, catálogos futuros poderão usá-la para ajudar a estimar a expansão cósmica.

O mesmo padrão poderá também indicar onde as fusões repetidas acontecem com maior frequência, sobretudo em ambientes estelares densos.

Mais detecções deverão ainda esclarecer se as direcções de rotação continuam distribuídas ao acaso - um indício de que os buracos negros se encontram por encontros fortuitos.

Se esses testes falharem, os astrónomos terão de procurar outra explicação para o desaparecimento dos companheiros mais leves exactamente onde a teoria previa.

Uma faixa em falta, rotações mais rápidas e um pequeno conjunto de fusões invulgares apontam agora para a mesma história sobre o fim de vida de estrelas gigantes.

Uma nova campanha de observação deverá mostrar se esta zona proibida se mantém bem definida ou se o padrão se torna menos nítido com mais dados.