A pesquisa mais recente mostra que o maior buraco negro do universo provavelmente não foi formado pelo colapso direto de uma única estrela massiva, mas foi construído através de uma série de fusões violentas “camada por camada” nas profundezas de aglomerados estelares extremamente lotados. Este estudo liderado pela Universidade de Cardiff, no Reino Unido, apontou que os buracos negros mais pesados ​​​​nas observações astronômicas de ondas gravitacionais pertencem a um grupo independente, e sua história de nascimento é mais como uma “árvore genealógica de buracos negros multigeracionais” do que o fim da evolução de estrelas comuns.


A equipa de investigação científica analisou sistematicamente a quarta edição do Catálogo de Ondas Transientes Gravitacionais (GWTC-4) lançado pela colaboração LIGO-Virgo-KAGRA, que incluiu 153 eventos de fusão de buracos negros altamente credíveis. Os investigadores prestaram especial atenção aos buracos negros mais massivos da amostra para testar se são produtos da “segunda geração” ou mesmo de “gerações” superiores – isto é, os primeiros buracos negros fundiram-se em aglomerados estelares densos para gerar buracos negros mais massivos, e estes buracos negros colidiram e fundiram-se novamente durante a evolução subsequente, e continuaram a ganhar peso. Neste tipo de aglomerado estelar denso, a densidade espacial de estrelas e objetos compactos pode ser um milhão de vezes maior do que na vizinhança do Sol, proporcionando um palco natural para "fusões em série" de buracos negros.

Os resultados da pesquisa foram publicados na última edição da "Nature Astronomy". As características estatísticas apresentadas no artigo mostram que o grupo de buracos negros mais pesado observado por ondas gravitacionais apresenta diferenças óbvias na distribuição de massa e rotação em relação aos buracos negros formados pelo colapso de estrelas comuns, e deve ser considerado como um grupo independente moldado por fusões hierárquicas. Por outras palavras, as ondas gravitacionais não estão apenas a “contar” eventos de colisão de buracos negros, mas também estão a começar a revelar como e onde os buracos negros crescem, e restringem inversamente a teoria da evolução de estrelas massivas e aglomerados de estrelas.

Através de modelagem detalhada e análise de sinais de ondas gravitacionais, os pesquisadores separaram duas populações principais de buracos negros na amostra: uma é um buraco negro de massa inferior, cujas propriedades são basicamente consistentes com o modelo tradicional de colapso estelar; o outro é um buraco negro de massa significativamente maior, cujas características de rotação são totalmente consistentes com as expectativas de experimentar múltiplas fusões hierárquicas em aglomerados estelares densos. O estudo do spin de buracos negros de alta qualidade é particularmente crítico porque o tamanho e a direção do spin registram a história de fusão dos seus buracos negros antecessores.

O artigo aponta que os spins de grupos de buracos negros de alta qualidade não são apenas geralmente mais rápidos, mas também têm uma distribuição quase aleatória de direções de spin, o que é completamente diferente do estado de spin “alinhado ordenadamente” na evolução típica de uma estrela binária. Isto surpreendeu a equipa de investigação e aumentou enormemente a credibilidade da “origem dos densos enxames estelares”. Em comparação com catálogos anteriores de ondas gravitacionais menores e anteriores, os sistemas de alta qualidade nesta análise "saltam" de forma mais óbvia no espaço de parâmetros, fortalecendo o julgamento de que pertencem a um grupo independente.

Além de delinear o caminho de crescimento dos buracos negros monstruosos, esta investigação também fornece uma das evidências observacionais mais fortes até à data para uma previsão de longa data na astrofísica - a "lacuna de massa" do buraco negro. A teoria é que estrelas extremamente massivas passarão por um violento processo de instabilidade de pares antes de morrerem, explodindo violentamente e destruindo-se completamente, não deixando mais vestígios de buracos negros. Isso significa que dentro de uma determinada faixa de massa, as estrelas não deveriam produzir diretamente buracos negros, formando uma “zona proibida”.

A equipe de pesquisa encontrou sinais dessa transição na amostra: por volta de cerca de 45 massas solares, a distribuição dos buracos negros mudou significativamente. Fabio Antonini, principal autor do artigo, disse ter visto evidências nos dados de uma “lacuna de massa de instabilidade” há muito prevista – uma faixa de massa na qual não se espera que as estrelas deixem para trás buracos negros. No entanto, detectores de ondas gravitacionais descobriram com sucesso buracos negros nesta lacuna ou perto dela, concentrados em cerca de 45 massas solares. Isto levanta uma questão chave: estarão estes buracos negros a desafiar os modelos existentes de evolução estelar, ou simplesmente não são formados directamente a partir de uma única estrela, mas são "reunidos" através de outro caminho - fusões hierárquicas?

A investigação mostra que, na amostra atual, a informação transportada pelos buracos negros mais massivos aponta mais para os efeitos dinâmicos dos enxames estelares, do que apenas para a evolução de estrelas individuais. Quando a massa de um buraco negro excede cerca de 45 massas solares, a sua distribuição de spin muda repentinamente significativamente. Isto é difícil de explicar através da evolução do binário estelar comum, mas pode ser naturalmente compreendido por "estes buracos negros experimentaram múltiplas rodadas de fusões em aglomerados estelares densos". Isto apoia ainda mais a ideia de que os buracos negros monstruosos se acumulam e crescem de geração em geração nas profundezas dos aglomerados estelares.

O trabalho também liga a astronomia das ondas gravitacionais aos processos de física nuclear dentro das estrelas. A equipa utilizou o ponto de viragem próximo da lacuna de massa para inferir uma reação nuclear chave envolvida na queima de hélio de estrelas massivas, proporcionando assim uma nova forma de estudar processos nucleares nas profundezas do núcleo das estrelas. Os pesquisadores disseram que, com o acúmulo de observações de ondas gravitacionais no futuro, os cientistas poderão ser capazes de inferir inversamente a complexa cadeia de reação nuclear dentro da estrela através da forma fina da distribuição de massa do buraco negro e da lacuna de massa.

O coautor do artigo Fani Dosopoulu e outros apontaram que o chamado limite superior de massa estabelecido “para instabilidade” depende diretamente das reações nucleares específicas que ocorrem no núcleo de estrelas massivas. Portanto, a acumulação contínua de dados de ondas gravitacionais não só reescreverá a nossa compreensão das populações de buracos negros, mas também poderá tornar-se um novo “laboratório” experimental para o estudo da física nuclear. Para o universo, cada fusão de buracos negros é um evento violento e de curta duração, mas com a ajuda da "audição" das ondas gravitacionais, os humanos estão usando essas vibrações momentâneas para reconstruir a longa história de buracos negros monstruosos que crescem silenciosamente nas profundezas do universo.