Buracos negros "reincidentes": como pares cósmicos se encontram depois de já terem se fundido antes

Nem todo buraco negro nasce sozinho e permanece sozinho. Depois de orbitar um parceiro cósmico por milhões de anos até se fundir em um único objeto mais massivo, alguns desses remanescentes parecem encontrar um novo par e recomeçar o ciclo. Dois estudos publicados recentemente na revista Physical Review Letters sugerem que esse tipo de encontro entre "desiguais" é mais comum do que a comunidade de astrofísica esperava, e o achado pode reorganizar parte do que se sabe sobre formação estelar e evolução de galáxias.¹

A explicação tradicional para a origem dos buracos negros binários é relativamente simples. Duas estrelas nascem próximas, vivem juntas e colapsam quando morrem, deixando para trás dois núcleos extremamente densos que continuam a orbitar um ao outro. Aos poucos, essas órbitas encolhem até que os dois objetos se fundam, formando um único buraco negro, mais massivo e girando mais rápido, que às vezes é ejetado para o espaço por causa do impulso da própria fusão.²

O que os novos trabalhos sugerem é que uma fração relevante dessas fusões não segue esse roteiro linear. Em vez disso, um dos buracos negros do par já nasceu de uma fusão anterior, é maior, gira mais depressa e, de alguma forma, encontrou um novo parceiro em algum ambiente denso do universo. Os cientistas chamam esse fenômeno de fusão hierárquica, e ele pode ajudar a explicar como funciona a física das supernovas e como as galáxias evoluem ao longo do tempo. Entender como os buracos negros se formam e se transformam também é essencial para testar a relatividade geral e reconstruir a história do universo.

Duas técnicas independentes, a mesma pista no céu

Os dois estudos usaram dados já publicados do Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferometria a Laser (LIGO)¹ e de outros detectores da rede internacional para identificar esse subgrupo de binários. O LIGO, junto com o Virgo (Itália) e o KAGRA (Japão), forma a colaboração LVK, que detecta fusões de buracos negros ao captar as minúsculas oscilações que elas produzem no próprio espaço-tempo.³

Cada uma das equipes recorreu a uma metodologia distinta para rastrear massa, rotação (spin) e inclinação dos buracos negros, mas ambas chegaram a um mesmo grupo de binários com sinais fortes de fusão hierárquica: um dos parceiros é bem maior, gira mais rápido e orbita fora de alinhamento com o outro. Segundo Cailin Plunkett, autora principal de um dos estudos e doutoranda no Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), a interpretação mais direta desses dados é que esses buracos negros provavelmente vieram de fusões anteriores. A estimativa do grupo é de que cerca de 14% dos pares de buracos negros observados possam ser fusões hierárquicas.

Dois métodos distintos, aplicados a conjuntos de dados diferentes, chegaram à mesma conclusão: parte relevante dos buracos negros observados hoje já passou por pelo menos uma fusão anterior.

Físicos já haviam previsto, teoricamente, que os "filhos" de fusões de buracos negros em ambientes estelares densos, como aglomerados globulares e aglomerados nucleares no centro de galáxias, encontrariam novos parceiros para se fundir no futuro. Paul Lasky, coautor do outro estudo e astrofísico da Universidade Monash, na Austrália, descreve que a história astrofísica diferente desses objetos faz com que eles se comportem de maneiras incomuns, algo que os pesquisadores conseguiram agora identificar diretamente nos dados. Maximiliano Isi, astrofísico da Universidade Columbia que não participou de nenhum dos dois estudos, mas já trabalhou com dados do LIGO, resume o momento como um convergir gradual de diferentes ângulos de observação para um mesmo retrato do que existe no espaço, algo que ele compara ao esforço de enxergar a estrada em meio à neblina.

Um exemplo concreto: o recorde de massa GW231123

Um caso ilustra bem o tipo de sinal que motiva essa nova interpretação. Em julho de 2025, a colaboração LIGO-Virgo-KAGRA anunciou a detecção do evento GW231123, captado em novembro de 2023 e batizado como a fusão de buracos negros mais massiva já registrada por ondas gravitacionais.⁴ Os dois objetos que colidiram tinham aproximadamente 100 e 140 massas solares cada, valores que caem dentro de uma faixa de massa considerada teoricamente rara, ou até "proibida", para o colapso direto do núcleo de uma estrela. A fusão gerou um buraco negro remanescente de mais de 225 massas solares, girando em velocidade próxima ao limite teórico permitido pela física conhecida.

A própria colaboração LVK levantou, na ocasião, a hipótese de que esse par já poderia ter se formado a partir de fusões anteriores de buracos negros menores, exatamente o tipo de origem hierárquica que os dois estudos recentes na Physical Review Letters tentam quantificar de forma sistemática em toda a base de dados do LIGO.⁵

Por que isso importa para entender o universo

Se confirmada em maior escala, a existência de uma população significativa de fusões hierárquicas muda a forma como cientistas modelam o ciclo de vida dos buracos negros. Ela sugere que ambientes estelares densos, como aglomerados globulares e regiões centrais de galáxias, funcionam como "berçários" onde buracos negros já formados podem se encontrar repetidamente, em vez de nascerem sempre isolados a partir do colapso de uma única estrela. Isso tem implicações diretas para modelos de formação estelar, para o entendimento da evolução química e dinâmica das galáxias e para testes de precisão da relatividade geral, já que buracos negros "reincidentes" testam a teoria de Einstein em regimes de rotação e massa mais extremos do que os previstos pelo colapso estelar clássico.

O Brasil na corrida das ondas gravitacionais

A física brasileira não é espectadora nesse campo. Desde o anúncio da primeira detecção direta de ondas gravitacionais, em fevereiro de 2016, grupos de pesquisa do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (Inpe), liderados pelo físico Odylio Aguiar, e da Universidade Estadual Paulista (Unesp), com participação do físico Riccardo Sturani, integram a colaboração científica internacional que opera o LIGO.⁶ Pesquisadores brasileiros contribuem com análise de dados e modelagem teórica de sinais de fusões, incluindo o próprio processo usado para estimar massa, rotação e inclinação dos buracos negros que embasa os novos estudos sobre fusões hierárquicas.⁷

Essa presença é sustentada, em boa parte, por financiamento de agências como a Fapesp e o CNPq, que bancam a participação de grupos nacionais em consórcios internacionais de física de altas energias e astrofísica, incluindo iniciativas ligadas ao Instituto de Física Teórica (IFT-Unesp) e ao Centro Internacional de Física Teórica para a América Latina (ICTP-SAIFR). Para o Brasil, seguir de perto descobertas como a das fusões hierárquicas significa manter um grupo de pesquisa local capaz de interpretar, e não apenas acompanhar de longe, os avanços de uma das áreas mais dinâmicas da física fundamental contemporânea.

O que vem a seguir

A rede LIGO-Virgo-KAGRA já detectou cerca de 300 fusões de buracos negros desde 2015 e segue em operação, com novas rodadas de observação previstas para ampliar significativamente esse catálogo nos próximos anos. Detectores de próxima geração, como o Einstein Telescope, na Europa, e o Cosmic Explorer, nos Estados Unidos, prometem sensibilidade muito maior para captar sinais mais fracos e distantes. Já o observatório espacial LISA, projeto conjunto da Agência Espacial Europeia com a Nasa, deve captar ondas gravitacionais de frequência mais baixa a partir da década de 2030, o que pode permitir observar diretamente os ambientes densos onde essas fusões hierárquicas ocorreriam.

Perguntas frequentes

O que é uma fusão hierárquica de buracos negros?

É quando um buraco negro que já nasceu de uma fusão anterior encontra um novo parceiro e se funde novamente, formando um objeto ainda mais massivo. É diferente da formação clássica, em que dois buracos negros nascem juntos a partir do colapso de duas estrelas que sempre orbitaram uma à outra.

Como os cientistas identificam esse tipo de fusão?

Analisando dados de ondas gravitacionais captados pelo LIGO, pelo Virgo e pelo KAGRA. Quando um dos buracos negros do par é muito maior, gira muito mais rápido e está desalinhado em relação à órbita do outro, isso é considerado um sinal forte de que ele já passou por uma fusão anterior.

Qual a porcentagem de fusões hierárquicas detectadas até agora?

Um dos estudos, liderado por Cailin Plunkett, do MIT, estima que cerca de 14% dos pares de buracos negros observados pelo LIGO apresentem sinais de fusão hierárquica, com base nos dados publicados até o momento.

O Brasil participa dessas pesquisas?

Sim. Grupos do Inpe e da Unesp integram a colaboração científica do LIGO desde a primeira detecção de ondas gravitacionais, em 2016, contribuindo com análise de dados e modelagem teórica de sinais de fusões de buracos negros.

Por que esse tipo de descoberta é relevante?

Porque ajuda a entender como buracos negros se formam e evoluem, o que tem implicações diretas para modelos de formação estelar, evolução de galáxias e testes de precisão da teoria da relatividade geral de Einstein.