GW190814: LIGO-Virgo-KAGRA sugere um terceiro buraco negro num sistema triplo

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

De acordo com uma nova análise aos dados da colaboração LIGO-Virgo-KAGRA, o registo de uma colisão de buracos negros binários em 2019 apresentou indícios de uma aceleração anómala, compatível com a influência de um terceiro buraco negro.

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

"Revela que os buracos negros binários em GW190814 poderão não se ter formado em isolamento, mas sim como parte de um sistema gravitacional mais complexo, oferecendo informações significativas sobre as vias de formação de buracos negros binários."

Ondas gravitacionais e 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 completam a sua espiral de aproximação, colidem, coalescem num único objeto e enviam ondas gravitacionais a propagar-se pelo tecido do espaço-tempo.

Os astrónomos conseguem estudar os padrões desses sinais para estimar as massas dos buracos negros envolvidos. Algumas destas fusões sugerem aquilo a que se chama fusões hierárquicas - uma sequência de colisões sucessivas que vai originando buracos negros cada vez mais massivos.

Essa ideia está ligada a um limite superior para a massa de buracos negros de massa estelar no momento da sua formação. Em termos gerais, há um ponto em que uma estrela muito massiva explode como supernova, expulsa as suas camadas externas e deixa um núcleo que colapsa sob a sua própria gravidade, formando um buraco negro.

Acima de uma determinada massa estelar, porém, o processo pode ser diferente: a estrela pode explodir totalmente, incluindo o núcleo, não restando nada além de detritos. Assim, quando é detetado um buraco negro acima desse limite, os cientistas inferem que esse buraco negro é provavelmente o produto de uma fusão anterior.

GW190814: um rácio de massas fora do esperado

O evento GW190814 não envolveu um buraco negro acima do limite de massa na formação. Pelo contrário: um dos objetos do par é considerado o buraco negro mais pequeno alguma vez detetado, tão pouco massivo que quase entra no território de uma estrela de neutrões - apenas 2.6 vezes a massa do nosso Sol.

O outro buraco negro era muito maior, com cerca de 23 massas solares. Este rácio de massas foge ao que é previsto pelos modelos de evolução estelar, nos quais se espera que, em regra, os sistemas binários sejam compostos por dois objetos de tamanho semelhante.

Um terceiro buraco negro pode estar a acelerar o sistema

Uma equipa liderada por Shu-Cheng Yang, também da Academia Chinesa de Ciências, interpreta esse rácio de massas como uma possível pista de um passado mais intricado: dois buracos negros que acabaram por formar o par observado teriam sido aproximados pela atração gravitacional de um terceiro objeto, muito mais massivo, em torno do qual o binário orbitaria.

Para testar esta hipótese, os investigadores analisaram com maior detalhe os dados das ondas gravitacionais. Se um par de buracos negros estiver a orbitar um terceiro buraco negro maior, deverá surgir uma aceleração adicional ao longo da linha de visão, causada pelo movimento orbital em torno desse terceiro corpo. A equipa calculou de que forma esse efeito deveria aparecer no sinal e, em seguida, confrontou o modelo com os dados de GW190814.

Segundo o modelo, os dados apontam para 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 por cento - um indício compatível com a presença de um terceiro buraco negro, não observado diretamente.

Se esta interpretação se confirmar, significa que as fusões de buracos negros podem, pelo menos em algumas circunstâncias, ocorrer em cenários muito mais complexos do que se pensava. É possível que existam outros indícios destes - e de outros - contextos complicados já escondidos nos dados, à espera de ferramentas capazes de os distinguir.

Além disso, o resultado reforça a evidência a favor de fusões hierárquicas, ao sustentar a existência de trios de buracos negros onde essas fusões podem ocorrer.

Espera-se que a próxima campanha de observação dos observatórios de ondas gravitacionais LIGO-Virgo-KAGRA traga uma enorme quantidade de novos dados sobre fusões de buracos negros. Talvez também ajude a clarificar os ambientes em que estes eventos acontecem e as diferentes formas como as interações entre buracos negros se podem desenrolar no Universo.

A investigação foi publicada nas Cartas do Jornal Astrofísico.