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Um buraco negro engoliu algo misterioso a 800 milhões de anos-luz da Terra

É a colisão mais exótica já detectada pelo LIGO: ninguém sabe se o objeto engolido é um buraco negro muito pequeno ou uma estrela de nêutrons muito grande.

Por Bruno Vaiano - 25 jun 2020, 15h08

800 milhões de anos atrás, em um lugar do cosmos tão distante que faz o diâmetro da Via Láctea parecer uma caminhada até a padaria, um buraco negro com 23 vezes a massa do Sol engoliu um astro menor e desconhecido, com “apenas” 2,6 vezes a massa do Sol. A colisão aconteceu após os dois dançarem uma valsa lenta, em que o objeto engolido descreveu lentas espirais em torno do buraco negro por milhões de anos.

O impacto foi tão intenso que perturbou o próprio tecido do espaço-tempo – o alicerce em que o cosmos está apoiado. Gerou ondas gravitacionais.

Para entender ondas gravitacionais, é preciso primeiro compreender de fato o que é a gravidade. E ela é o seguinte: se você deitar em uma cama coberta de bolinhas de gude, todas vão rolar na sua direção. Afinal, quanto mais pesado é um objeto, mais o colchão afunda. O Universo é como um colchão, só que feito de um tecido diferente: três dimensões de espaço e uma de tempo. E o Sol é você: algo tão massivo que afunda bem esse tecido. É por isso que as bolinhas de gude – como a Terra ou Júpiter – ficam presas em volta dele.

Ondas gravitacionais, por sua vez, ocorrem quando um fenômeno cósmico é tão violento que faz a superfície do colchão subir e descer periodicamente, como o mar.

O que nos leva de volta à colisão ali no começo do texto. 800 milhões de anos depois, viajando à velocidade da luz, as ondas geradas pela deglutição do objeto não identificado alcançaram os observatórios LIGO e Virgo, aqui no planeta Terra. Era dia 14 de agosto de 2019. A palavra “observatório” talvez faça você imaginar um telescópio, mas o LIGO e o Virgo na verdade não têm lentes – nem geram imagens. Eles são interferômetros, e funcionam graças à maneira como as ondas gravitacionais perturbam raios laser isolados em tubos de 4 km de extensão, hermeticamente fechados.

Normalmente, o LIGO e o Virgo detectam três tipos de colisões: buraco negro com buraco negro, buraco negro com estrela de nêutrons e estrela de nêutrons com estrela de nêutrons. Cada uma delas mexe com o laser de uma maneira que já é familiar aos físicos envolvidos no projeto. Desta vez, porém, o objeto de 2,6 massas solares que colidiu com o buraco negro não era nem uma estrela de nêutrons nem um buraco negro. Na verdade, ninguém sabe o que ele era.

“Podemos dizer, com confiança, que nunca vimos nada do tipo”, disse à National Geographic a astrofísica Vicky Kalogera da Universidade Northwestern, que coordenou a equipe responsável pela análise da colisão de código GW190814 – publicada nesta semana no periódico Astrophysical Journal Letters

A estranheza é simples de entender para nós, leigos: o objeto é leve demais para ser um buraco negro, mas pesado demais para ser uma estrela de nêutrons. “Se for uma estrela de nêutrons, é uma massa interessante para uma estrela de nêutrons. E se for um buraco negro, é uma massa interessante para um buraco negro”, diz Kalogera. “De qualquer forma, ele chamou nossa atenção logo de cara.”

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Tanto um buraco negro quanto uma estrela de nêutrons se formam quando uma estrela muito maior que o Sol chega ao fim de sua vida. Sem combustível para queimar, elaentra em colapso graças à própria gravidade. Você pode se inteirar dos detalhes desse processo no nosso documentário sobre buracos negros, disponível no YouTube.

De maneira resumida, a parte da explicação que interessa para nós é a seguinte: as camadas externas da estrela desabam tão rapidamente em direção ao núcleo que batem nele e quicam de volta. São ejetadas no espaço aberto em uma violenta explosão. Lá no meio, sobra apenas um caroço. Se esse caroço tiver mais de 2,5 vezes a massa do Sol, ele não aguenta a própria gravidade e começa a encolher até se tornar um ponto sem dimensões – com tamanho nenhum.

Tal ponto é chamado pelos físicos de singularidade, e por concentrar toda a massa do núcleo da estrela em um espaço nulo, tem densidade infinita. Eis um buraco negro. A existência da singularidade, porém, é só uma previsão da Relatividade Geral: é impossível observá-la, porque a singularidade é tão intensa que aprisiona toda a luz que incide sobre ela (o buraco não é chamado de “negro” à toa).

Por ser algo muito diminuto, a singularidade também está sujeita às equações da física quântica, que são incompatíveis com as de Einstein. Ou seja: os físicos ainda não possuem um arcabouço teórico que realmente dê conta de compreender o que acontece dentro de um buraco negro. Eles são um bug no cosmos.

Com essa digressão, porém, nos distanciamos do ponto central, que é: se o caroço for um pouco mais leve que 2,5 massas solares, ele não colapsa completamente. Ele trava em um grau de compressão intermediário, e se torna uma estrela composta basicamente de nêutrons – que são as partículas sem carga elétrica presentes no núcleo dos átomos.

Os objetos do nosso dia a dia (inclusive nós mesmos) são feito de átomos inteiros, que têm nuvens de elétrons para separá-los dos núcleos uns dos outros. Já a estrela de nêutrons é feita basicamente com o material dos núcleos, sem nada para espaçá-los – o que a torna extremamente densa. Um pedaço de estrela de nêutrons do tamanho de uma caixa de fósforos pesa 2,1 · 1013 kg – o mesmo que 4 bilhões de elefantes africanos.

Se ficar provado que uma estrela de nêutrons com 2,6 massas solares existe, os físicos vão ficar preocupados, porque nada nas contas indica que a existência de tal estrutura é viável – com tanta massa, ela deveria colapsar e atingir o próximo estágio de compressão, o de buraco negro. Por isso, as apostas, no momento, são de que o objeto misterioso seja um buraco negro muito pequeno.

Mesmo que a identidade do objeto seja revelada, porém, ainda restará um mistério: a assimetria entre o engolido e o engolidor. A maior parte dos sistemas binários – que contêm dois objetos de grande porte disputando o centro das atenções gravitacionais, como as duas estrelas do planeta Tatooine de Star Wars – tem objetos de porte parecido. É muito incomum encontrar um buraco negro coexistindo com algo de massa quase dez vezes inferior à sua. Assim, investigar as origens dessa dupla que acaba de colidir será algo enriquecedor para nossa compreensão de fenômenos cósmicos raros.

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