Em 2023, astrônomos testemunharam um evento dramático: dois buracos negros extraordinariamente massivos colidiram a cerca de 7 bilhões de anos-luz de distância. Seu tamanho imenso e rotação rápida desafiaram explicações. De acordo com as teorias existentes, buracos negros assim simplesmente não deveriam existir.

Pesquisadores do Centro de Astrofísica Computacional (CCA) do Flatiron Institute e de instituições parceiras agora descobriram como tais gigantes cósmicos podem se formar e eventualmente colidir. Ao rastrear os ciclos de vida das estrelas que deram origem a esses buracos negros, a equipe descobriu que os campos magnéticos — há muito negligenciados em modelos anteriores — desempenham um papel crucial.

“Ninguém considerou esses sistemas da maneira que fizemos; anteriormente, os astrônomos tomavam um atalho e negligenciavam os campos magnéticos,” explica Ore Gottlieb, astrofísico do CCA e autor principal do estudo, que aparece em The Astrophysical Journal Letters. “Mas uma vez que você considera os campos magnéticos, pode realmente explicar as origens desse evento único.”

A Colisão de 2023 que Desafiou a Teoria dos Buracos Negros

A colisão cósmica, agora conhecida como GW231123, foi detectada pelos observatórios LIGO-Virgo-KAGRA, que medem ondas gravitacionais — as ondas no espaço-tempo produzidas por movimentos celestiais massivos.

No momento da detecção, os astrônomos não conseguiam compreender como buracos negros tão enormes e de rotação rápida haviam se formado. Quando uma estrela massiva esgota seu combustível, ela tipicamente colapsa e explode em uma supernova, deixando para trás um buraco negro menor. No entanto, estrelas dentro de uma faixa de massa específica experimentam um tipo de explosão especialmente violento chamado supernova de instabilidade de pares, que destrói a estrela completamente.

“Como resultado dessas supernovas, não esperamos que buracos negros se formem entre aproximadamente 70 a 140 vezes a massa do sol,” diz Gottlieb. “Portanto, era intrigante ver buracos negros com massas dentro desse intervalo.”

Simulações Revelam uma Força Oculta em Ação

Uma possível explicação é que buracos negros dentro dessa “lacuna de massa” se formam indiretamente, através da fusão de buracos negros menores. Mas no caso de GW231123, isso parecia improvável. Fusões são tipicamente caóticas, desestabilizando a rotação do buraco negro resultante. No entanto, os dois buracos negros envolvidos em GW231123 estavam girando perto da velocidade da luz — a mais rápida já observada — tornando tal cenário improvável.

Para resolver o mistério, Gottlieb e sua equipe realizaram uma simulação em duas etapas. Primeiro, modelaram uma estrela massiva 250 vezes a massa do Sol durante sua vida e morte. Quando ela explodiu como uma supernova, havia queimado combustível suficiente para encolher para cerca de 150 massas solares — apenas acima da lacuna de massa teórica, deixando para trás um buraco negro.

A próxima fase introduziu os campos magnéticos na situação. O modelo começou com os restos da supernova: uma nuvem giratória de detritos estelares contendo campos magnéticos e um buraco negro recém-nascido em seu centro. Teorias anteriores assumiam que todo o material restante cairia no buraco negro, mas as novas simulações pintaram um quadro diferente.

Como o Magnetismo Redefine o Destino de uma Estrela em Colapso

Se uma estrela em colapso não estiver girando, o material circundante cai diretamente no buraco negro. Mas quando uma estrela gira rapidamente, aquele material forma um disco ao redor do buraco negro, alimentando-o ao longo do tempo e aumentando sua rotação. No entanto, os campos magnéticos interrompem esse processo. Sua pressão pode expelir parte do material para fora a quase a velocidade da luz, evitando que ele caia.

Essa ejeção de matéria reduz a quantidade de material que o buraco negro absorve. Quanto mais fortes os campos magnéticos, mais massa é expelida. Em casos extremos, até metade da massa original da estrela pode ser perdida devido a essas saídas. Nas simulações da equipe, esse mecanismo produziu naturalmente um buraco negro cuja massa se enquadrava na faixa antes “proibida”.

“Descobrimos que a presença de rotação e campos magnéticos pode mudar fundamentalmente a evolução pós-colapso da estrela, fazendo com que a massa do buraco negro seja potencialmente significativamente menor do que a massa total da estrela em colapso,” diz Gottlieb.

Ligando Massa e Rotação dos Buracos Negros

Os resultados apontam para uma relação intrigante entre a massa de um buraco negro e a velocidade com que ele gira. Campos magnéticos mais fortes podem desacelerar a rotação de um buraco negro e remover mais massa estelar, levando à formação de buracos negros menores e mais lentos. Campos mais fracos, por outro lado, permitem que buracos negros maiores e mais rápidos se formem. Esse padrão pode revelar uma lei mais ampla conectando massa e rotação — uma relação que observações futuras podem confirmar.

Atualmente, nenhum outro sistema de buracos negros conhecido pode testar essa conexão, mas os astrônomos esperam que detecções futuras descubram mais exemplos como GW231123.

Explosões de Luz a Partir dos Eventos Mais Escuros

As simulações também preveem que esses processos magnéticos produzem explosões de raios gama durante a formação de buracos negros. Detectar esses flashes de raios gama poderá ajudar a confirmar a teoria e mostrar quão comuns esses buracos negros massivos realmente são.

Se comprovadas, essas descobertas não apenas explicariam uma colisão “impossível”, mas também reconfigurariam a maneira como os cientistas entendem um dos objetos mais extremos e fascinantes do universo.