Estranha fusão de buraco negro pode ter sido um raro encontro aleatório

Prolongar / Simulação de dois buracos negros à beira de uma colisão.

O advento dos detectores de ondas gravitacionais – agora existem quatro deles – registrou um fluxo constante de fusões de buracos negros. Tanto quanto podemos dizer, quase todos eles se comportaram exatamente como esperaríamos para os tipos de eventos que previmos que os produziriam: um par de buracos negros em órbita que gradualmente espiralaram para dentro até se encontrarem em seu centro de gravidade mútuo. .

Mas houve um evento que aparentemente não correspondeu aos tipos de sinais que esperaríamos. E os pesquisadores agora estão sugerindo que foi o produto de algo que deveria ser incrivelmente raro: dois buracos negros se encontrando na vastidão do espaço. Depois de uma única passagem próxima, os dois corpos se curvaram e imediatamente entraram em colisão.

Modelos e chirps

As colisões de buracos negros exigem que os dois buracos negros estejam próximos o suficiente um do outro para interagir gravitacionalmente. Como o espaço é tão vasto, isso normalmente significa que eles são produtos de duas estrelas massivas que se formaram como um sistema binário. Depois que as estrelas morreram e deixaram os buracos negros para trás, os dois corpos espiralaram lentamente um em direção ao outro, irradiando energia na forma de ondas gravitacionais.

Isso leva a uma inspiração e fusão relativamente simples, cujos detalhes apareceram em inúmeras animações após a primeira detecção do LIGO de uma colisão de buraco negro.

Colisões desse tipo são tão bem elaboradas que temos um grande conjunto de simulações que modelam uma colisão como essa com diferentes conjuntos de detalhes: diferentes massas de buracos negros, diferentes rotações e assim por diante. Essas simulações fornecem “modelos” dos momentos finais antes das colisões, quando a produção de ondas gravitacionais se torna mais rápida e mais intensa, com o “chilro” final das ondas subindo acima do ruído de fundo na Terra. Esses modelos nos permitem identificar rapidamente os detalhes de uma colisão, com base em quão próximos os sinais da colisão correspondem a um desses modelos.

Mas uma fusão chamada GW190521 realmente não se encaixava muito bem nos modelos e só combinava melhor se os buracos negros envolvidos não estivessem girando. O chirp foi incomumente curto e não há sinal de sinal antes da fusão real. Finalmente, ambos os objetos envolvidos na fusão eram relativamente massivos: cerca de 50 e 80 vezes a massa do Sol. Buracos negros desse tamanho não se formam em supernovas (aquelas normalmente começam com menos de 15 massas solares), então provavelmente são produtos de colisões anteriores. O que faz com que eles comecem como parte de um sistema binário uma proposição questionável.

Assim, uma equipe de pesquisadores europeus decidiu modelar um evento que deveria ser relativamente incomum: os dois buracos negros não começaram em uma órbita mútua, mas passaram perto o suficiente para se prenderem gravitacionalmente.

Vamos dançar?

O termo técnico para o que os autores estão propondo é “captura dinâmica”, o que explica a natureza aparentemente repentina do sinal GW190521. Em vez da abordagem gradual em que as ondas gravitacionais crescem em intensidade que caracteriza os sistemas binários, os dois corpos que desencadearam esse evento podem experimentar um número limitado de oscilações de alta velocidade um após o outro antes de colidir.

Os pesquisadores modelaram uma variedade de abordagens potenciais, algumas das quais levariam a uma abordagem gradual semelhante à observada em sistemas binários e outras que poderiam afastar os dois buracos negros um do outro em trajetórias alteradas. Mas entre os dois extremos está um conjunto de resultados em que você pode ter um pequeno número de passagens próximas antes de colidir ou os dois buracos negros podem mergulhar diretamente um no outro.

Os modelos que produziram um chirp que melhor correspondia ao sinal GW190521 viram uma única passagem que atraiu os buracos negros, seguida por uma única curva rápida mais próxima da colisão. Mas a primeira passagem foi distante o suficiente para que o sinal fosse muito baixo para se destacar acima do ruído de fundo nos detectores. Embora seja possível produzir resultados semelhantes a este usando um perfil de colisão mais típico com uma inspiração gradual, vários testes estatísticos sugerem que a captura dinâmica é mais provável.

Isso provavelmente se baseia nas propriedades do chirp da onda gravitacional, pelo menos. A probabilidade de dois buracos negros se aproximarem o suficiente um do outro para desencadear o processo é uma questão totalmente diferente. Mas esses dois buracos negros são grandes o suficiente para que provavelmente tenham sido construídos por fusões anteriores, sugerindo que essa colisão ocorreu em um aglomerado denso onde muitas estrelas massivas estão morrendo. Assim, o ambiente pode ser mais favorável a um encontro casual do que poderíamos esperar.

Astronomia da Natureza2022. DOI: 10.1038/s41550-022-01813-w (Sobre os DOIs).

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