GW230529 revela uma colisão cósmica inédita numa lacuna de massa

Uma onda gravitacional detetada em maio do ano passado revelou um tipo de colisão cósmica nunca antes observado.

Uma das massas envolvidas era uma estrela de neutrões, algo perfeitamente normal até aqui.

No entanto, a identidade do outro objeto permanece desconhecida. Isto acontece porque se situa claramente num nicho designado por lacuna inferior de massa: corpos aparentemente raros, com massas entre as estrelas de neutrões mais massivas e os buracos negros mais pequenos.

É a primeira vez que se observa um evento de ondas gravitacionais que envolve uma estrela de neutrões e um objeto da lacuna de massa. Embora ainda não se saiba exatamente o que é este último, a descoberta sugere, de forma entusiasmante, que estas enigmáticas massas podem ser comuns na galáxia.

"Embora já tenham sido comunicadas evidências anteriores de objetos da lacuna de massa tanto em ondas gravitacionais como eletromagnéticas, este sistema é particularmente entusiasmante porque é a primeira deteção por ondas gravitacionais de um objeto da lacuna de massa emparelhado com uma estrela de neutrões", afirma a astrofísica Sylvia Biscoveanu, da Universidade Northwestern, nos EUA.

"A observação deste sistema tem implicações importantes tanto para as teorias da evolução de sistemas binários como para as contrapartidas eletromagnéticas de fusões de objetos compactos."

Como se formam estrelas de neutrões e buracos negros

As estrelas de neutrões e os buracos negros de massa estelar integram a mesma categoria de objetos cósmicos. São os remanescentes de estrelas massivas que chegaram ao fim das suas vidas e explodiram como supernovas. As camadas exteriores da estrela são projetadas violentamente para o espaço, mas o núcleo central - já sem o suporte da pressão exterior produzida pela fusão - colapsa, formando um objeto ultradenso.

O resultado é determinado pela massa. Estrelas cuja massa inicial corresponde aproximadamente a oito a 30 vezes a massa do Sol tornam-se estrelas de neutrões. Depois de a maior parte do material estelar ser expulsa, o núcleo colapsado fica com uma massa de até 2,3 massas solares, comprimida numa esfera com apenas 20 quilómetros de diâmetro.

Os buracos negros estelares resultam do colapso de estrelas muito mais massivas e deixam bolsas de matéria extremamente concentrada, que tendem a ter entre cerca de cinco e uma dúzia de massas solares.

É aqui que a questão se torna interessante: foram detetados pouquíssimos objetos com massas entre 2,3 e cinco massas solares. E, nos casos identificados, não é claro se se trata de um pequeno buraco negro ou de uma grande estrela de neutrões.

Como a região entre as estrelas de neutrões mais pesadas e os buracos negros mais leves tem, curiosamente, tão poucas deteções, os cientistas chamam-lhe lacuna inferior de massa, para a distinguir da lacuna superior de massa dos buracos negros.

GW230529 e a lacuna inferior de massa

As deteções de ondas gravitacionais sucedem-se atualmente a grande ritmo, e os astrónomos recorrem-lhes para compreender os buracos negros. O seu número e a distribuição das suas massas permitem estimar quantos existem e perceber como se formam e crescem.

A lacuna inferior de massa é um enigma que os cientistas esperavam esclarecer com as ondas gravitacionais. Em 2020, registou-se a primeira deteção de uma fusão entre um buraco negro e um objeto da lacuna de massa, com uma massa de 2,6 massas solares.

A nova deteção, denominada GW230529, ocorreu em maio de 2023. Ao analisarem o sinal de ondas gravitacionais, as colaborações LIGO, Virgo e KAGRA concluíram que um dos objetos tinha entre 1,2 e 2 massas solares, um intervalo que se enquadra com bastante segurança nas estrelas de neutrões.

Já o segundo objeto tinha entre 2,5 e 4,5 massas solares, situando-se inequivocamente na lacuna de massa. Os investigadores consideram que será provavelmente um buraco negro muito pequeno. Os dados atuais não permitem confirmá-lo, mas a sua massa ultrapassa o limite superior teórico para uma estrela de neutrões, tornando esta a explicação mais plausível por agora.

Contudo, o aspeto mais entusiasmante é a própria descoberta e aquilo que poderá significar para deteções futuras.

"Antes de começarmos a observar o Universo através de ondas gravitacionais, as propriedades de objetos compactos, como buracos negros e estrelas de neutrões, eram inferidas indiretamente a partir de observações eletromagnéticas de sistemas na nossa Via Láctea", explica o astrofísico Michael Zevin, do Planetário Adler, nos EUA.

"A ideia de uma lacuna entre as massas das estrelas de neutrões e dos buracos negros, que existe há um quarto de século, foi impulsionada por essas observações eletromagnéticas. GW230529 é uma descoberta entusiasmante porque sugere que esta 'lacuna de massa' está menos vazia do que os astrónomos pensavam, o que tem implicações para as explosões de supernovas que formam objetos compactos e para os potenciais espetáculos de luz que se seguem quando um buraco negro despedaça uma estrela de neutrões."

Os detetores de ondas gravitacionais LIGO, Virgo e KAGRA estiveram todos em manutenção, e as melhorias recentes aumentaram drasticamente a sensibilidade de deteção. A campanha de observação deverá recomeçar a 10 de abril de 2024, pelo que são esperadas mais descobertas interessantes de buracos negros num futuro próximo.

A investigação pode ser consultada no sítio Web do LIGO.