Cientistas detectam a maior fusão de buraco negro até hoje, 225 vezes a massa do Sol: "Nos limites do que é atualmente possível".

A colaboração internacional LIGO-Virgo-KAGRA (LVK) detectou a fusão dos buracos negros mais massivos já observados com ondas gravitacionais usando os observatórios LIGO, financiados pela Fundação Nacional de Ciências dos EUA (NSF). A poderosa fusão produziu um buraco negro final com uma massa aproximadamente 225 vezes maior que a do nosso Sol. O sinal, designado GW231123, foi detectado durante o quarto ciclo de observação da rede LVK, em 23 de novembro de 2023.

O LIGO, o Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro Laser, fez história em 2015 ao detectar diretamente ondas gravitacionais, ondulações no espaço-tempo, pela primeira vez. Nesse caso, as ondas emanaram da fusão de um buraco negro que resultou em um buraco negro final com uma massa 62 vezes maior que a do nosso Sol. O sinal foi detectado em conjunto pelos detectores gêmeos do LIGO, um localizado em Livingston, Louisiana, e o outro em Hanford, Washington.

Desde então, a equipe do LIGO se uniu a parceiros do detector Virgo, na Itália, e do KAGRA (Kamioka Gravitational-Wave Detector), no Japão, para formar a Colaboração KLV. Esses detectores observaram coletivamente mais de 200 fusões de buracos negros em seu quarto ciclo de análise, e cerca de 300 no total desde o início do primeiro ciclo em 2015.

Até agora, a fusão de buracos negros mais massiva (produzida por um evento ocorrido em 2021, chamado GW190521) teve uma massa total de 140 vezes a do Sol. No evento mais recente, GW231123, o buraco negro de 225 massas solares foi criado pela coalescência de buracos negros, cada um com cerca de 100 e 140 vezes a massa do Sol.

Além de suas grandes massas, os buracos negros também giram rapidamente. "Este é o sistema binário de buracos negros mais massivo que já observamos usando ondas gravitacionais e representa um verdadeiro desafio para nossa compreensão da formação de buracos negros", observa Mark Hannam, da Universidade de Cardiff e membro da Colaboração LVK. "Buracos negros com essa massa são proibidos em modelos padrão de evolução estelar. Uma possibilidade é que os dois buracos negros neste sistema binário tenham se formado por fusões anteriores de buracos negros menores."

Dave Reitze, diretor executivo do LIGO no Caltech, explica: "Esta observação demonstra mais uma vez como as ondas gravitacionais revelam de forma única a natureza fundamental e exótica dos buracos negros em todo o universo."

A alta massa e a rotação extremamente rápida dos buracos negros em GW231123 testam os limites da tecnologia de detecção de ondas gravitacionais e dos modelos teóricos atuais. A extração de informações precisas do sinal exigiu o uso de modelos que levassem em conta a dinâmica complexa dos buracos negros em rotação rápida.

"Os buracos negros parecem girar muito rápido, próximo ao limite permitido pela teoria da relatividade geral de Einstein ", explica Charlie Hoy, da Universidade de Portsmouth (Reino Unido) e membro do LVK. "Isso dificulta a modelagem e a interpretação do sinal. É um excelente estudo de caso para aprofundar o desenvolvimento de nossas ferramentas teóricas."

Pesquisadores continuam a refinar suas análises e aprimorar os modelos usados para interpretar esses eventos extremos. "Levará anos para que a comunidade desvende completamente esse intrincado padrão de sinais e todas as suas implicações", confirma Gregorio Carullo, da Universidade de Birmingham (Reino Unido) e membro do LVK. "Embora a explicação mais provável continue sendo uma fusão de buracos negros, cenários mais complexos podem ser a chave para decifrar suas características inesperadas."

Detectores de ondas gravitacionais como LIGO, Virgo e KAGRA são projetados para medir pequenas distorções no espaço-tempo causadas por eventos cósmicos violentos. O quarto ciclo de observação começou em maio de 2023, e observações adicionais da primeira metade do ciclo (até janeiro de 2024) serão publicadas ainda neste verão.

"Este evento leva nossas capacidades de instrumentação e análise de dados aos limites do que é atualmente possível ", afirma Sophie Bini, pesquisadora de pós-doutorado no Caltech e membro do LVK. "É um exemplo poderoso do quanto podemos aprender com a astronomia de ondas gravitacionais e do quanto ainda há a ser descoberto."