No mundo dos buracos negros, geralmente há três categorias de tamanho: buracos negros de massa estelar (cerca de cinco a 50 vezes a massa do Sol), buracos negros supermassivos (milhões a bilhões de vezes a massa do Sol) e buracos negros de massa intermediária, com massas em algum lugar entre elas.

Embora saibamos que buracos negros de massa intermediária existam, pouco se sabe sobre suas origens ou características — eles são considerados os raros "elos perdidos" na evolução dos buracos negros.

No entanto, quatro novos estudos lançaram nova luz sobre o mistério. A pesquisa foi liderada por uma equipe no laboratório do Professor Assistente de Física e Astronomia Karan Jani, que também atua como diretor fundador da Iniciativa de Laboratórios Lunares da Vanderbilt.

O artigo principal, " Propriedades de candidatos a buracos negros de massa intermediária 'leves' na terceira rodada de observação do LIGO-Virgo ", foi publicado no Astrophysical Journal Letters e liderado pela bolsista de pós-doutorado do Lunar Labs, Anjali Yelikar, e pela doutoranda em astrofísica, Krystal Ruiz-Rocha. A equipe reanalisou dados dos detectores do Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro a Laser (LIGO), vencedor do Prêmio Nobel, nos EUA, e do detector Virgo, na Itália.

Os pesquisadores descobriram que essas ondas correspondiam a fusões de buracos negros com mais de 100 a 300 vezes a massa do Sol, tornando-as os eventos de ondas gravitacionais mais pesados registrados na astronomia.

"Buracos negros são os fósseis cósmicos por excelência", disse Jani. "As massas de buracos negros relatadas nesta nova análise permanecem altamente especulativas na astronomia. Esta nova população de buracos negros abre uma janela sem precedentes para as primeiras estrelas que iluminaram o nosso universo."

Detectores terrestres como o LIGO capturam apenas uma fração de segundo da colisão final desses buracos negros "leves" de massa intermediária, dificultando a determinação de como o universo os cria. Para lidar com isso, o laboratório de Jani recorreu à futura missão da Agência Espacial Europeia e da Antena Espacial de Interferômetro Laser (LISA) da NASA, com lançamento previsto para o final da década de 2030.

Em dois estudos adicionais publicados no The Astrophysical Journal , " Um mar de buracos negros: caracterizando a assinatura LISA para binários de buracos negros de origem estelar ", liderado por Ruiz-Rocha, e " Um conto de dois buracos negros: medição de ondas gravitacionais multibanda de chutes de recuo ", liderado pelo ex-estagiário de pesquisa de verão Shobhit Ranjan, a equipe mostrou que o LISA pode rastrear esses buracos negros anos antes de eles se fundirem, esclarecendo sua origem, evolução e destino.

Detectar ondas gravitacionais de colisões de buracos negros exige extrema precisão — como tentar ouvir um alfinete cair durante um furacão. Em um quarto estudo, também publicado no The Astrophysical Journal , " Sem Falhas na Matriz: Reconstrução Robusta de Sinais de Ondas Gravitacionais sob Artefatos de Ruído ", a equipe demonstrou como modelos de inteligência artificial garantem que os sinais desses buracos negros permaneçam inalterados pelo ruído ambiental e do detector nos dados. O artigo foi liderado pelo pós-doutorando Chayan Chatterjee e expande o Programa de IA para Novos Mensageiros de Jani, uma colaboração com o Data Science Institute.

No futuro, Yelikar disse que a equipe explorará como buracos negros de massa intermediária podem ser observados usando detectores na Lua.

"O acesso a frequências mais baixas de ondas gravitacionais da superfície lunar pode nos permitir identificar os ambientes em que esses buracos negros vivem — algo que os detectores baseados na Terra simplesmente não conseguem resolver", disse ela.

Além de continuar esta pesquisa, Jani também trabalhará com as Academias Nacionais de Ciências, Engenharia e Medicina em um estudo patrocinado pela NASA para identificar destinos lunares de alto valor para exploração humana, a fim de atender a objetivos científicos de nível decenal.

Como parte de sua participação neste estudo, Jani contribuirá para o Painel sobre Heliofísica, Física e Ciências Físicas, para identificar e articular os objetivos científicos relacionados à física solar, clima espacial, astronomia e física fundamental que seriam mais possibilitados por exploradores humanos na Lua.

"Este é um momento emocionante na história — não apenas para estudar buracos negros, mas para unir as fronteiras científicas com a nova era da exploração espacial e lunar", disse Jani. "Temos uma rara oportunidade de treinar a próxima geração de estudantes cujas descobertas serão moldadas e feitas a partir da Lua."