A afastar-se nas profundezas do espaço, dois buracos negros espiralam-se um em direcção ao outro e fundem-se. Poderosas ondas gravitacionais desde aquela dança da corrida da morte através do cosmos até as suas ondulações alcançarem três detectores gigantes na Terra: dois com o Interferómetro Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) dos EUA e o detector de virgens da Europa em Itália.

Os detectores detectaram dezenas de tais cataclismos nos últimos 5 anos, mas o de 21 de Maio de 2019 foi diferente. Não só foi a fusão mais poderosa e distante jamais vista, mas o buraco negro resultante também pertence a uma classe de buracos negros de peso médio há muito procurada, membros da colaboração LIGO-Virgo relatam hoje em dois novos estudos. No entanto, os dois buracos negros que se fundiram são mais pesados do que o esperado: Suas massas caem em uma fenda na qual os teóricos acreditam ser impossível fazer um buraco negro através da rota usual de uma estrela em colapso.

Buracos negros de classe estelar são tipicamente criados quando uma grande estrela fica sem combustível nuclear e o motor de agitação de luz e calor pára. Sem essa pressão externa, as camadas externas da estrela caem sob a gravidade, provocando uma supernova colossal e deixando para trás um buraco negro. Mas nas estrelas maiores, o colapso é ainda mais catastrófico, causando uma explosão termonuclear em fuga que destrói a estrela e não deixa nada para trás. Teoricamente, isso significa que deve haver um corte na massa do buraco negro em cerca de 65 massas solares.

até Maio de 2019, as fusões do buraco negro detectadas pela LIGO e Virgo suportaram largamente esse corte de massa. Depois veio o evento conhecido como GW190521, que durou apenas um décimo de 1 segundo. Não foi detectado pelos algoritmos usuais que verificam fusões binárias (que normalmente duram várias vezes mais), mas foi captado por um pipeline separado que procura por “coisas que vão explodir”, diz Nelson Christensen, um físico do Observatório Cote d’Azur em Nice e um membro da equipe LIGO-Virgo.

Embora o sinal fosse curto – apenas quatro ciclos de ondas para cima e para baixo – a equipe ainda podia analisá-lo, analisando sua amplitude, sua forma e como sua freqüência mudava com o tempo. “Foi muito difícil de interpretar”, diz Alessandra Buonanno, diretora do Instituto Max Planck de Física Gravitacional (Instituto Albert Einstein). “Passamos muito tempo nos persuadindo a confiar no que tínhamos encontrado”

Em dois artigos publicados hoje – um descrevendo a detecção nas Cartas de Revisão Física, e outro interpretando os dados no The Astrophysical Journal Letters – a equipe conjunta LIGO-Virgo diz que o modelo que melhor se encaixa nos dados é de dois buracos negros – pesando em cerca de 66 e 85 massas solares – fundindo-se em um buraco negro de 142 Sóis. As oito massas solares restantes teriam sido convertidas em energia de ondas gravitacionais. “Era substancialmente maior do que qualquer coisa que tínhamos visto”, diz Christensen.

Um buraco negro com 142 massas solares o coloca instantaneamente em uma classe própria. Enquanto os astrônomos há muito conhecem os buracos negros menores e os gigantes nos centros galácticos feitos de milhões ou bilhões de sóis, aqueles de tamanho médio – de 100 a 100.000 massas solares – têm estado conspicuamente ausentes. Os astrônomos acreditam que eles são necessários como blocos de construção para os buracos negros supermassivos, e há evidências indiretas de sua existência, mas esta pode ser a visão mais convincente até agora, embora bem no fundo da escala. “Isto é apenas uma dica de que há algo nesta gama de massas”, diz o astrofísico Avi Loeb da Universidade de Harvard que não estava envolvido no estudo.

Talvez mais interessante para os astrofísicos são as origens dos dois buracos negros que se fundem. O mais leve está mesmo na cúspide do buraco da massa, por isso poderia muito bem ter-se formado a partir de uma única estrela gigantesca. Mas 85 massas solares é difícil de explicar. “É emocionante porque foi inesperado”, diz Loeb. “O intervalo de massa era robusto, mas agora a porta está aberta para novos modelos”

No seu papel interpretativo, a equipa olhou para muitas explicações possíveis. Os buracos negros podiam ser primordiais, tendo ficado pendurados desde o turbilhão do início do universo antes do nascimento das primeiras estrelas. Ou poderiam ter sido pequenos buracos negros, com uma fusão que foi ampliada pela lente gravitacional. Ou talvez – mais exoticamente – as ondulações vieram de cordas cósmicas, defeitos hipotéticos no vácuo deixado pelo big bang. Mas nenhuma destas explicações se ajustava aos dados, assim como um par de pesos pesados fundidos. Então, a equipe caiu de volta na “boa e velha navalha de Occam”, diz Christensen: A explicação mais simples está provavelmente correcta.

Loeb acredita que os pesos pesados são provavelmente “multigeracionais”, nos quais buracos negros menores em áreas densas de formação de estrelas se fundem várias vezes para produzir massas acima do corte. Galáxias são frequentemente cercadas por densos aglomerados de estrelas chamados aglomerados globulares. Estes podem conter centenas de milhares de estrelas antigas: locais ideais para a criação de buracos negros. À medida que os buracos negros se afundam em direção ao centro do aglomerado globular, é mais provável que eles se fundam com outros. “Esses ambientes são especializados, e é por isso que só estamos encontrando-os agora”, diz ele, depois que LIGO e Virgo detectaram mais de 60 fusões.

Mas os aglomerados provavelmente conterão buracos negros de massa variável, e as fusões distorcidas produzem explosões assimétricas que podem chutar o novo buraco negro para fora do aglomerado a até 1000 quilômetros por segundo. Para que os aglomerados sejam viveiros de buracos negros no buraco de massa, os recuos precisam ser baixos e os aglomerados devem ser maciços o suficiente para evitar que escapem, diz Loeb.

LIGO e Virgo estão sendo atualizados e estão configurados para reiniciar as observações em 2022 com maior sensibilidade, permitindo-lhes pesquisar três vezes mais do cosmos. Encontrar mais fusões tão pesadas irá “nos ensinar sobre a astrofísica de tais viveiros estelares”, diz Loeb. “Quanto mais eventos tivermos, mais pistas sobre as suas origens”