A COLISÃO DE BURACOS NEGROS MAIS PESADA NÃO ERA EM CÍRCULO

Em 23 de novembro de 2023, os observatórios LIGO de Hanford e Livingston registraram o GW231123, a fusão de dois buracos negros mais massiva relatada até hoje. Supondo uma órbita circular, a análise padrão deu massas de cerca de 137 e 101 vezes a massa do Sol, ambos girando extremamente rápido.

Esses números são incômodos. O buraco negro menor cai no chamado intervalo de massa da instabilidade de pares (pair-instability mass gap), uma faixa de massas que o colapso comum de uma estrela tem dificuldade em produzir. Uma saída é uma fusão hierárquica: num ambiente lotado, como um aglomerado estelar denso, o remanescente de uma fusão continua por perto e depois se funde de novo. O artigo também aponta uma pista útil: quando dois buracos negros de massa semelhante e pouca rotação se fundem, o remanescente gira tipicamente a um valor de cerca de 0,7, na escala adimensional usada pelos físicos, em que valores próximos de 1 significam uma rotação quase extrema.

Apenas alguns ciclos

O GW231123 foi curto: apenas alguns ciclos de onda mensuráveis antes do mergulho final. Isso torna a sua interpretação muito sensível ao modelo da forma de onda. Uma propriedade é especialmente difícil de determinar: a excentricidade, o quanto a órbita é oval. A emissão de ondas gravitacionais tende a arredondar as órbitas de pares antigos e isolados, mas encontros próximos em ambientes densos podem deixar alguma excentricidade. Ao longo de poucos ciclos, uma órbita oval pode imitar a oscilação de buracos negros em rotação. Se um modelo deixa a excentricidade de fora, as rotações podem absorver a sua assinatura.

Começando mais embaixo, vendo mais

Baoxiang Wang e Tao Yang, da Universidade de Wuhan, com colegas da Universidade Normal de Pequim, do Instituto Max Planck de Física Gravitacional em Potsdam e da Universidade de Ningbo, reanalisaram os dados públicos com um modelo de forma de onda que admite ao mesmo tempo excentricidade e rotações com precessão. A diferença-chave: para o detector de Hanford, cujos dados públicos tinham sido limpos de uma falha transitória (glitch), eles começaram em 11 hertz em vez de 20. A excentricidade é maior em frequências mais baixas, então essa parte inicial do sinal é a que mais importa.

A excentricidade da órbita resulta em 0,34, definida numa frequência de 5,5 hertz.
O modelo excêntrico é favorecido por um fator de Bayes de 10,2: os dados são explicados cerca de dez vezes melhor por uma órbita oval do que por uma circular.
Começando em 20 hertz, como fizeram estudos anteriores, eles encontram pouca excentricidade — em acordo com esses estudos.

Para verificar, eles construíram um falso GW231123 com órbita oval e o analisaram da mesma maneira. Ele se comportou exatamente como o evento real: claramente excêntrico a partir de 11 hertz, muito menos a partir de 20. Começar alto demais pode esconder uma órbita oval.

O enigma da rotação se afrouxa

Levar a excentricidade em conta muda sobretudo o buraco negro menor. A sua rotação cai de 0,90 na análise circular para cerca de 0,74, perto do 0,7 esperado para o remanescente de uma fusão anterior. O sinal falso mostra o mesmo efeito: analisado como circular, o seu buraco negro menor parece girar mais rápido do que realmente gira.

O buraco negro maior continua girando rápido em qualquer caso, e a sua massa dificilmente se encaixa numa origem simples de segunda geração. Os dois buracos negros podem, portanto, ter histórias diferentes: o menor possivelmente filho de dois buracos negros anteriores, o maior formado de alguma outra forma. Acrescentar a possibilidade de uma lente gravitacional na linha de visada não muda o resultado excêntrico.

O que isso muda

Estudos anteriores usaram o buraco negro menor do GW231123 para localizar o limite superior do intervalo de massa da instabilidade de pares. Se esse buraco negro é ele próprio produto de uma fusão, argumentam os autores, a sua massa não pode fixar esse limite por si só. Um fator de Bayes de 10 é um indício, não uma prova — os próprios autores observam que sinais realmente excêntricos nem sempre dão preferências fortes quando o sinal é curto. Quando uma fronteira de população se apoia em poucos eventos incomuns, concluem eles, as hipóteses de forma de onda por trás desses eventos importam diretamente.