Quando uma estrela morre, nasce um buraco negro. Essa tem sido a história clássica da origem da maioria dos buracos negros. No fim da vida de uma estrela massiva, suas camadas externas explodem em uma supernova brilhante, e seu núcleo colapsa em uma região gravitacionalmente densa e compacta, formando um buraco negro.

Descobertas recentes feitas por detectores de ondas gravitacionais revelaram centenas de buracos negros em fusão por todo o universo. Acreditava-se que muitos deles se originavam diretamente da explosão de estrelas. Mas buracos negros também podem surgir de outros buracos negros menores. Os produtos de fusões anteriores de buracos negros podem, em princípio, se fundir novamente, criando um buraco negro mais massivo. Essa via alternativa, na qual buracos negros geram outros buracos negros, é conhecida como "fusão hierárquica".

Agora, cientistas do MIT estão descobrindo que um bom número de buracos negros em fusão pode, de fato, ter se fundido anteriormente. Eles realizaram uma nova análise de dados recentes dos observatórios LIGO, Virgo e KAGRA, contendo 155 pares de buracos negros binários, e descobriram que cerca de 14% dos buracos negros em fusão no universo podem, na verdade, ser buracos negros de segunda geração, formados a partir da fusão anterior de dois buracos negros menores. 

Os resultados, que a equipe relata esta semana na revista Physical Review Letters , sugerem que a fusão hierárquica repetida é uma via significativa pela qual os buracos negros se formam. 

“Estamos descobrindo que, para alguns desses buracos negros em fusão, não é a primeira vez”, diz a primeira autora do estudo, Cailin Plunkett, estudante de pós-graduação no Departamento de Física do MIT. “De modo geral, no universo, os buracos negros estão se fundindo o tempo todo. A questão de com que frequência eles se fundem repetidamente era bastante incerta. Agora estamos vendo um quadro relativamente consistente, onde há uma porcentagem considerável de buracos negros que vêm desse caminho repetido.”

Os coautores do estudo são Salvatore Vitale, professor associado de física do MIT; Thomas Callister, do Williams College; e Michael Zevin, do Planetário Adler e da Universidade Northwestern.

Quando uma estrela massiva colapsa e morre, o buraco negro resultante deve ter muito pouco spin. Além de perder uma enorme quantidade de massa ao explodir, a estrela também deve perder grande parte de seu spin intrínseco, ou momento angular. O buraco negro remanescente deve, então, ter pouco ou nenhum spin. 

Em contrapartida, quando dois buracos negros se fundem, a colisão deve criar um novo  buraco negro de segunda geração, com rotação descontrolada. 

“Eles estariam girando muito rápido, a cerca de 70% da sua rotação máxima possível”, diz Vitale. 

Os cientistas suspeitam que as fusões hierárquicas ocorrem em ambientes estelares densos, onde as estrelas estão tão compactadas que várias estrelas vizinhas podem morrer e colapsar para formar buracos negros que, por sua vez, ficam próximos o suficiente para se fundirem uns com os outros e formarem buracos negros de segunda geração. 

“Você pode ter uma infinidade de estrelas orbitando umas às outras, e se algumas forem massivas e explodirem, elas se tornam buracos negros. Os buracos negros continuam orbitando e podem capturar uns aos outros e se fundir”, diz Plunkett. “Esse processo pode se repetir potencialmente indefinidamente, devido ao fato de haver uma infinidade de estrelas e buracos negros nesse ambiente extremamente denso.”

Um sinal de fusão hierárquica é que um dos buracos negros em um par de buracos negros em fusão possui um spin e uma massa muito maiores do que o outro. Uma dupla tão desequilibrada indicaria que pelo menos um dos buracos negros se originou da colisão de dois buracos negros anteriores. 

Em 2024, cientistas detectaram duas fusões assimétricas desse tipo em sinais registrados pelos observatórios LIGO, Virgo e KAGRA. Esses observatórios detectam ondas gravitacionais incidentes — oscilações incrivelmente pequenas no tecido do espaço-tempo — que são reverberações de fenômenos cósmicos distantes, como a colisão de buracos negros. 

Os observatórios detectaram dois sinais de ondas gravitacionais, denominados GW241011 e GW241110, cada um dos quais provavelmente contém um buraco negro girando muito mais rápido que seu parceiro. As fusões hierárquicas foram descobertas através da análise detalhada de cada sinal, a fim de determinar as massas e rotações específicas dos buracos negros envolvidos em cada fusão.

Esse trabalho inspirou Plunkett e Vitale a realizar uma busca por fusões hierárquicas semelhantes, utilizando todos os sinais de ondas gravitacionais que os observatórios capturaram até o momento. 

Para o novo estudo, a equipe analisou o Catálogo de Transientes de Ondas Gravitacionais LIGO-Virgo-KAGRA 4.0 (GWTC-4.0), que compreende as detecções de ondas gravitacionais da quarta campanha de observação dos observatórios. Em vez de analisar cada sinal de onda gravitacional individualmente, como fizeram os cientistas com GW241011 e GW241110, Plunkett e Vitale buscaram um padrão característico de fusões hierárquicas nos dados em geral, para verificar se algum sinal correspondente se destacava.

O padrão que eles procuravam representa uma série de "oscilações" orbitais. Pouco antes de se fundirem, dois buracos negros espiralam um em direção ao outro em um plano orbital em forma de disco. Quando os spins do par são perpendiculares ao plano, este permanece relativamente estável. Mas quando um ou ambos os spins não são perpendiculares ao plano, o disco oscila. O grau em que todo o plano oscila, ou "precessa", pode informar aos cientistas sobre o equilíbrio de massas e spins entre os dois buracos negros em espiral. 

Plunkett e Vitale desenvolveram um modelo para a faixa de oscilações que deveria ser um sinal de uma fusão hierárquica, especificamente entre um buraco negro de primeira geração e um de segunda geração. 

A equipe aplicou o modelo a todo o catálogo GWTC-4.0, que compreende sinais de ondas gravitacionais de 153 fusões de buracos negros, além dos sinais de GW241011 e GW241110. Sua análise revelou que várias fusões se encaixavam no padrão de oscilação orbital que provavelmente foi causado pela colisão de buracos negros de primeira e segunda geração. 

Especificamente, eles descobriram que aproximadamente 14% dos buracos negros em fusão no universo podem ter se fundido antes, e que esses buracos negros de segunda geração tinham massas muito particulares: buracos negros com cerca de 10 massas solares (10 vezes a massa do Sol) e 30 massas solares eram buracos negros comuns, originados de estrelas, enquanto os buracos negros de segunda geração tinham massas em torno de 20 massas solares ou 40 massas solares ou mais. 

“Um dos motivos pelos quais o regime de 40 massas solares ou mais é interessante é que a teoria da evolução estelar prevê que não deveria ser possível formar buracos negros nessa faixa de massa a partir de uma supernova”, diz Plunkett. “Acreditamos que as supernovas de estrelas realmente massivas acabam sendo tão violentas que não deixam nenhum buraco negro acima de aproximadamente 45 massas solares. No entanto, já vimos buracos negros com essa massa. E a questão é: de onde eles vieram?”

A nova análise da equipe oferece suporte à ideia de que buracos negros podem se formar a partir da fusão repetida de outros buracos negros, e que essa história de origem alternativa poderia explicar alguns dos curiosos buracos negros que podemos detectar hoje. 

Este trabalho foi financiado, em parte, pela Fundação Nacional de Ciência e pela Fundação Brinson.