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Estes buracos negros que colidiram poderiam ser um tipo estranho de estrela

Daniele Cavalcante
·6 minuto de leitura

Há cerca de 7 bilhões de anos, dois buracos negros colidiram e deram origem a ondas gravitacionais que só foram detectadas em 2019. Os sinais das ondas viajaram por bilhões de anos até chegarem à Terra, mais precisamente aos instrumentos sensíveis do Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). Até hoje não se sabe ao certo o que causou a colisão, mas um novo estudo sugere que o evento pode ter sido um tipo de estrela cuja existência é apenas uma hipótese.

Desde a primeira detecção das ondas gravitacionais os cientistas se debruçaram sobre os dados coletados para entender o que estavam observando. Eram as ondas mais intensas já encontradas até então, e uma equipe de pesquisadores concluiu, em 2020, que o evento era o resultado da colisão entre dois buracos negros — um de 85 e e outro com 66 massas solares. Com o impacto, teria nascido um único novo buraco negro, com 142 massas solares, chamado GW190521.

Acontece que algumas contas não batem, e algumas perguntas surgiram rapidamente. A primeira delas foi até simples de responder: se a soma de ambos os buracos negros (85 + 66 massas solares) resultou em um novo objeto de 142 massas solares, onde estão as outras 9? Bem, provavelmente boa parte da massa dos objetos se transformou em pura energia, irradiada na forma das ondas gravitacionais detectadas, por isso a massa do GW190521 está abaixo das 151 massas solares. Mas há outro problema: um buraco negro de 85 massas solares não devia existir.

De acordo com os modelos — que são baseados em tudo o que os astrônomos sabem sobre os ciclos estelares e os objetos resultantes da morte de uma estrela —, os buracos negros formados a partir do colapso de uma estrela grande não podem ser maiores que 65 massas solares, aproximadamente. Embora nenhum dos dois buracos negros que colidiram foi estimado dentro dessas restrições, o objeto menor poderia ter 65 massas solares, ou um pouco menos, considerando as margens de erro dos cálculos baseados nas ondas gravitacionais detectadas. Mas o buraco negro de 85 massas solares é um barulho capaz de tirar o sono de qualquer astrônomo.

Uma estrela hipotética e muito estranha

Simulação da colisão entre os dois buracos negros, formando o objeto e emitindo as ondas gravitacionais mais intensas já detectadas até então (Imagem: Reprodução/Raúl Rubio/Virgo Valencia Group/The Virgo Collaboration)
Simulação da colisão entre os dois buracos negros, formando o objeto e emitindo as ondas gravitacionais mais intensas já detectadas até então (Imagem: Reprodução/Raúl Rubio/Virgo Valencia Group/The Virgo Collaboration)

Para explicar a origem do GW190521, surgiram algumas hipóteses, tais como um aglomerado de pequenos buracos negros que se fundiram até chegar ao objeto de 142 massas solares. Existem algumas evidências de que os aglomerados de buracos negros podem existir, mas há muitas dúvidas sobre as possibilidades de que eles possam se fundir rápido o suficiente para explicar as ondas gravitacionais do GW190521. Então, um novo estudo sugere que não havia dois buracos negros, mas sim duas estrelas de Proca.

Uma estrela de Proca (o nome vem de uma equação homônima em homenagem ao físico romeno Alexandru Proca) é um objeto hipotético (ou seja, ainda não há evidências que confirmem se existe ou não), compacto, composto de algo que não são elétrons, prótons ou nêutrons. Ou seja, seriam compostas por bósons, como glúons e Higgs. Ao contrário das demais estrelas, suas partículas podem superesfriar e ocupar o mesmo estado quântico para formar um único objeto quântico conhecido como condensado de Bose-Einsten — um estado da matéria formada por bósons que atinge uma temperatura muito próxima do zero absoluto.

O condensado de Bose-Einsten é algo interessante, e observações a respeito desse estado da matéria de bóson já revelaram algumas coisas surpreendentes. Em 2000, cientistas realizaram alguns experimentos com campo magnético de alta intensidade, e descobriram que com a repulsão de átomos repentinamente substituída pela atração, o condensado poderia implodir e encolher além do limiar de detecção, e depois explodir, destruindo aproximadamente dois terços dos átomos. Cerca de metade dos átomos no condensado parece ter desaparecido totalmente durante a experiência, algo difícil de se explicar através da ciência convencional.

Estudos como este concluíram que, se explosões de supernovas são, na verdade, implosões, a explosão de um condensado de Bose-Einstein em colapso poderia ser chamada de “bosenova”. Pois bem, voltando ao objeto GW190521, o novo estudo aponta que, talvez, ele tenha surgido através da colisão de estrelas feitas de uma matéria onde a gravidade não teria nenhuma dificuldade em colapsar em um buraco negro. Mas se essas estrelas hipotéticas chegarem a um estado em que seus bósons estão extremamente densos, em um campo gravitacional forte, as coisas podem ter um comportamento inesperado.

À esquerda, como uma estrela de boson apareceria nas imagens do Event Horizon Telescope; à esquerda, a imagem real de um buraco negro capturada pelo Event Horizon Telescope (Imagem: Reprodução/Olivares/EHT)
À esquerda, como uma estrela de boson apareceria nas imagens do Event Horizon Telescope; à esquerda, a imagem real de um buraco negro capturada pelo Event Horizon Telescope (Imagem: Reprodução/Olivares/EHT)

Ainda assim, nas condições certas, uma estrela de bósons poderia chegar a 85 massas solares ou mais, o que torna tudo mais condizendo com as medições dos objetos que originaram as ondas gravitacionais de 2019. Há alguns detalhes que podem tornar a hipótese ainda mais distante do que se conhece atualmente, mas também muito mais interessante. Por exemplo, a matéria de bósons que conhecemos não poderia se tornar uma estrela de Proca — mas podemos recorrer a certas hipóteses sobre a matéria escura que propõem novos tipos de bósons. Resumo da ópera, os dois objetos que colidiram poderiam ser estrelas feitas de bósons como estes — se é que essas estrelas exóticas existem mesmo.

Os autores do novo estudo colocaram a ideia à prova, analisando os dados do evento GW190521, e descobriram que as observações eram consistentes com uma fusão de estrela de Proca, da mesma forma que são consistentes com uma colisão de buracos negros. Ambas as ideias se sustentam igualmente. Então, a equipe fez outro teste. Como as propriedades de uma estrela de Proca dependem da massa de seus bósons, os cientistas usaram os dados do GW190521 para medir a massa do suposto bóson. O resultado foi algo extremamente leve, um trilionésimo da massa de neutrinos.

Se essas ideias pouco convencionais estiverem corretas, pode ser que os astrônomos estão lidando com objetos feitos de uma nova partícula de bóson ultraleve, jamais vista antes, que pode ajudar a explicar até mesmo a matéria escura, ou a formação de estrelas de bósons. Claro, muito trabalho terá que ser feito se os cientistas quiserem levar a hipótese adiante para tentar comprová-la, mas a simples possibilidade de que estejamos falando da primeira evidência de uma partícula de matéria escura, é muito empolgante. Por outro lado, caso essa hipótese seja descartada, o objeto GW190521 continua sendo fantástico, pois ele poderia ser a primeira evidência de um buraco negro de massa intermediária.

Fonte: Canaltech

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