Nem todas as estrelas massivas precisam terminar suas vidas em uma explosão espetacular. Algumas podem simplesmente desaparecer do céu, quando seus núcleos entram em colapso e dão origem a buracos negros sem produzir uma supernova luminosa. Essa possibilidade, prevista por modelos teóricos há décadas, ganhou novas evidências indiretas com uma pesquisa que analisou ondas gravitacionais produzidas pela colisão de buracos negros.
O estudo, liderado por pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech), nos Estados Unidos, identificou uma concentração expressiva de buracos negros com aproximadamente dez vezes a massa do Sol. Os cientistas também encontraram uma escassez de objetos em uma faixa de massas ligeiramente superior, além de características semelhantes em suas rotações. Em conjunto, esses resultados sugerem que uma parcela importante dos buracos negros observados pode ter se formado por um mecanismo específico de colapso estelar.
Normalmente, quando uma estrela muito massiva esgota o combustível necessário para sustentar as reações nucleares em seu interior, seu núcleo pode entrar em colapso. Dependendo das condições, esse processo desencadeia uma supernova, que lança grandes quantidades de matéria ao espaço e pode deixar como remanescente uma estrela de nêutrons ou um buraco negro.
Entretanto, modelos astrofísicos indicam que algumas estrelas podem sofrer um colapso no qual a explosão não consegue expulsar suas camadas externas de maneira significativa. Nesse cenário, grande parte do material acaba caindo para o interior, favorecendo a formação de um buraco negro. O fenômeno é conhecido como supernova fracassada, embora não envolva necessariamente uma explosão visível.
Encontrar evidências desse processo é particularmente difícil. Uma estrela que desaparece sem uma explosão brilhante pode passar despercebida, especialmente quando está localizada em outra galáxia. Por isso, os pesquisadores recorreram a uma abordagem diferente: investigar as propriedades dos buracos negros que já foram detectados por meio de ondas gravitacionais.
Essas ondas são pequenas perturbações no espaço-tempo produzidas por fenômenos extremamente energéticos, como a fusão de dois buracos negros. Sua primeira detecção direta ocorreu em 2015, pelos observatórios LIGO, nos Estados Unidos, confirmando uma previsão feita por Albert Einstein um século antes.
Desde então, a rede internacional formada pelos observatórios LIGO, Virgo, na Itália, e KAGRA, no Japão, ampliou consideravelmente o número de eventos conhecidos. As características dos sinais permitem estimar propriedades dos objetos envolvidos, incluindo suas massas e informações sobre suas rotações.
Na nova pesquisa, publicada na revista científica Physical Review D, a equipe analisou a distribuição de massas em 257 fusões de buracos negros detectadas ao longo de aproximadamente dez anos.
Os resultados mostraram uma concentração particularmente elevada de objetos com massas próximas de dez vezes a massa solar. Segundo os pesquisadores, cerca de três quartos da amostra de fusões apresentavam buracos negros associados a essa população.
O estudo também identificou uma redução acentuada na quantidade de buracos negros com massas entre 12 e 16 vezes a do Sol. Essa escassez chamou a atenção porque a distribuição não parece variar de maneira completamente uniforme, sugerindo que determinados processos físicos podem favorecer a formação de buracos negros em algumas faixas de massa e dificultá-la em outras.
Isaac Legred, principal autor do trabalho, realizou a pesquisa durante seu período no Caltech e atualmente atua na Universidade de Illinois em Urbana-Champaign. Para ele, compreender por que buracos negros com aproximadamente dez massas solares aparecem com tanta frequência, enquanto outros um pouco mais massivos são relativamente raros, pode revelar detalhes importantes sobre os processos que ocorrem no interior das estrelas antes de seu colapso.
Além das massas, os pesquisadores examinaram as rotações dos buracos negros. A maneira como esses objetos giram também pode conservar informações sobre sua formação e evolução.
A análise revelou que a população concentrada em torno de dez massas solares apresenta uma distribuição de rotações mais restrita do que a observada no conjunto completo de buracos negros. Essa semelhança reforça a possibilidade de que muitos deles tenham passado por condições físicas parecidas durante sua formação.
Uma das interpretações consideradas pela equipe é que esses objetos sejam remanescentes de estrelas que sofreram colapso direto, sem produzir uma supernova convencional. Nesse caso, o mecanismo responsável pela formação poderia explicar tanto a concentração de massas quanto algumas das características de rotação observadas.
A hipótese, porém, ainda não está comprovada. Os dados demonstram que a distribuição observada é compatível com modelos de supernovas fracassadas, mas não permitem determinar individualmente como cada buraco negro se formou. Outros processos relacionados à evolução de estrelas massivas e de sistemas binários também precisam ser considerados.
O trabalho foi conduzido por Legred, Katerina Chatziioannou, professora de física do Caltech e integrante da colaboração LIGO, e Jacob Golomb, também ex-pesquisador da instituição.
A investigação acrescenta uma nova perspectiva ao estudo da morte das estrelas massivas. Até recentemente, grande parte das informações sobre esses processos vinha da observação de supernovas e de seus remanescentes. Com as ondas gravitacionais, os astrônomos passaram a investigar populações de buracos negros mesmo quando os eventos que lhes deram origem não foram observados diretamente.
Um exemplo frequentemente associado à hipótese de colapso silencioso é N6946-BH1, uma estrela gigante que foi registrada pelo Telescópio Espacial Hubble antes de desaparecer das observações. O caso é considerado um candidato a supernova fracassada, embora a interpretação ainda dependa de estudos adicionais.
À medida que a rede de detectores de ondas gravitacionais acumular novos registros, será possível testar com maior precisão a existência dessa população de buracos negros e investigar se a aparente escassez entre 12 e 16 massas solares permanece nos dados.
Se a relação proposta for confirmada, os resultados poderão ajudar a explicar por que determinadas estrelas massivas produzem supernovas luminosas, enquanto outras podem terminar suas vidas formando buracos negros sem uma explosão facilmente observável.
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