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Fusão de um buraco negro binário na presença de um terceiro buraco negro
Um sinal estranho no ruído de fundo criado por uma fusão entre dois buracos negros pode ser a primeira deteção de sempre de um sistema de três buracos negros de massa estelar presos numa valsa gravitacional.
De acordo com uma nova análise de dados da colaboração LIGO-Virgo-KAGRA, recentemente publicada no The Astrophysical Journal Letters, os dados de uma colisão de buracos negros binários de 2019 mostraram sinais de uma aceleração anómala que sugere a presença 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”, diz Wen-Biao Han, astrónomo da Academia Chinesa de Ciências, em comunicado da instituição.
“Os nossos dados revelam que os buracos negros binários em GW190814 podem não ter sido formados isoladamente, mas eram parte de um sistema gravitacional mais complexo, oferecendo detalhes significativos sobre as vias de formação de buracos negros binários”, acrescenta Han.
Desde a primeira deteção de ondas gravitacionais, em 2015, os cientistas catalogaram cerca de 300 fusões — eventos nos quais buracos negros binários finalmente completam o seu decaimento orbital e colidem, coalescendo num único objeto e enviando ondas gravitacionais a ondular através do tecido do espaço-tempo.
Os astrónomos podem analisar os sinais nessas ondulações para determinar as massas dos buracos negros envolvidos, com algumas fusões sugerindo o que chamamos fusões hierárquicas — uma série de fusões que levam a buracos negros cada vez maiores.
Segundo explica o Science Alert, isto acontece porque os buracos negros de massa estelar têm um limite superior de massa na formação — o ponto no qual uma estrela massiva explode como supernova e liberta as suas camadas exteriores, deixando um núcleo que colapsa sob a sua própria gravidade para se tornar um buraco negro.
Acima de uma certa massa estelar, todo o conjunto explode completamente, núcleo incluído, não deixando nada além de destroços. Então, se um buraco negro é detetado acima desse limite, os cientistas inferem que esse buraco negro é inevitavelmente o produto de uma fusão anterior.
GW190814 não envolveu um buraco negro acima do limite de massa. Pelo contrário, um dos buracos negros envolvidos é considerado o menor do seu tipo já detetado, tão pequeno que oscila na fronteira de ser uma estrela de neutrões — apenas 2,6 vezes a massa do nosso Sol.
O outro buraco negro envolvido era significativamente maior, cerca de 23 massas solares. Esta proporção de massas está fora do que é previsto pelos modelos de evolução estelar: espera-se normalmente que os sistemas binários tenham dois objetos de tamanho comparável.
A equipa liderada por Shu-Cheng Yang, investigador da Academia Chinesa de Ciências, acredita que esta proporção de massas é indicativa de um passado complicado; um par de buracos negros que foi atraído pela atração gravitacional de um terceiro objeto muito maior, ao redor do qual o binário orbita.
Os investigadores examinaram então mais de perto os dados das ondas gravitacionais. Um par de buracos negros em órbita de um terceiro buraco negro, maior, deveria mostrar uma aceleração extra ao longo da linha de visão devido ao movimento orbital em torno do terceiro buraco negro.
Os investigadores calcularam como isso se manifestaria, e depois compararam o seu modelo com os dados de GW190814.
De acordo com o seu modelo, os dados sugerem 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 % — o que sugere a presença de um terceiro buraco negro não observado.
Este resultado pode significar que as fusões de buracos negros podem, pelo menos em algumas circunstâncias, ocorrer em circunstâncias muito mais complicadas do que sabíamos.
A descoberta fornece também mais evidência de fusões hierárquicas — validando a existência de sistemas triplos de buracos negros nos quais as fusões podem ocorrer.
