Can GW231123 have a stellar origin?

Imagine que o universo é uma grande cozinha onde estrelas são como gigantes cozinhando em fogões cósmicos. A maioria das estrelas segue uma receita previsível: elas crescem, cozinham seus ingredientes (como hidrogênio e hélio) e, no final, explodem ou colapsam em buracos negros de tamanhos "normais".

Mas, segundo a teoria antiga, existe uma zona proibida na cozinha do universo. É como se houvesse um intervalo de peso onde nenhuma estrela consegue sobreviver para virar um buraco negro. Se a estrela for muito pesada, ela explode completamente e não sobra nada. Se for um pouco mais leve, ela explode parcialmente e vira um buraco negro pequeno. A teoria dizia que buracos negros com pesos entre 60 e 130 "cargas solares" (unidades de massa estelar) simplesmente não existiam.

O Mistério: GW231123

Em novembro de 2023, os cientistas detectaram um sinal de ondas gravitacionais chamado GW231123. Foi como ouvir um "baque" no universo que revelou a colisão de dois buracos negros. O problema? Um deles era um gigante monstruoso (cerca de 137 vezes a massa do Sol) e, o mais estranho de tudo, ele estava girando muito rápido, como um patinador no gelo que gira em alta velocidade.

Isso criou um grande dilema:

O Peso: Ele é pesado demais para ter nascido de uma estrela normal (deveria ter explodido antes).
A Rotação: Ele gira rápido demais. Se ele tivesse nascido de uma fusão de outros buracos negros (como se fosse um "buraco negro filho" de pais buracos negros), a física diz que ele não deveria girar tão rápido. Seria como tentar fazer um patinador girar super rápido apenas juntando dois patinadores lentos; a matemática não fecha sem um ajuste muito específico e improvável.

A Solução: O "Motor" de Rotação

Os autores deste artigo, Djuna Croon e seus colegas, decidiram investigar se esse monstro poderia ter nascido de uma única estrela gigante, mas com um "truque" especial: rotação.

Eles usaram computadores poderosos para simular o que aconteceria com uma estrela gigante (160 vezes a massa do Sol) que não apenas era pesada, mas também girava muito rápido antes de morrer.

Aqui está a analogia simples do que eles descobriram:

O Efeito Giratório (Centrífuga): Imagine que você está em um carrossel girando muito rápido. Você sente uma força puxando você para fora. Nas estrelas, essa força de rotação age como um "suporte extra" contra a gravidade que quer esmagar a estrela.
O Segredo: Quando a estrela gira rápido, essa força extra impede que o núcleo da estrela esquentasse o suficiente para ativar a "bomba" que a faria explodir (chamada de instabilidade de par).
O Resultado: Em vez de explodir e sumir, a estrela consegue sobreviver um pouco mais, esquentar ainda mais, e então colapsar diretamente em um buraco negro superpesado. E, como ela já estava girando rápido, o buraco negro que nasce dela herda essa rotação frenética.

A Conclusão: O Primeiro "Buraco Negro Além da Fronteira"

O estudo conclui que é plausível que o GW231123 tenha nascido assim:

Uma estrela gigante nasceu.
Ela girou tão rápido que a força centrífuga "empurrou" o limite de segurança para cima, permitindo que ela ficasse mais pesada do que a teoria antiga permitia.
Ela colapsou diretamente em um buraco negro gigante e giratório, sem explodir.

Por que isso é importante?

Antes, se alguém visse um buraco negro desse tamanho e velocidade, os cientistas diriam: "Isso é impossível de ser uma estrela, deve ser algo exótico ou uma fusão estranha".

Este artigo diz: "Espere! Se a estrela girar rápido o suficiente, ela pode quebrar as regras antigas." Isso sugere que o GW231123 pode ser o primeiro buraco negro que vimos nascendo diretamente do colapso de uma estrela que "desafiou a morte" através da rotação.

Resumo Final:
O universo tem uma "zona de perigo" onde estrelas muito pesadas deveriam explodir. Mas, se essas estrelas girarem como furacões, elas ganham um "escudo" que as permite crescer ainda mais e virar buracos negros gigantes e rápidos. O GW231123 pode ser a prova de que essa "zona de perigo" é, na verdade, apenas uma zona de "perigo se você não girar rápido".

Título: GW231123 pode ter uma origem estelar?

Autores: Djuna Croon, Davide Gerosa, Jeremy Sakstein
Data: 19 de fevereiro de 2026

1. O Problema

O evento de ondas gravitacionais GW231123, detectado pelo LIGO durante sua quarta campanha de observação, apresenta uma configuração única e desafiadora para a astrofísica estelar:

Massa Extrema: Os dois buracos negros (BNs) possuem massas no referencial da fonte de $137^{+23}_{-18} M_\odot$ e $101^{+22}_{-50} M_\odot$ . O objeto primário ( $m_1$ ) está na faixa da "lacuna de massa de instabilidade de pares" (Pair-Instability Black Hole Mass Gap - BHMG), prevista pela teoria de evolução estelar padrão como uma região onde estrelas não deveriam formar buracos negros diretos (aproximadamente entre 60 e 130 $M_\odot$ ).
Rotação Extrema: Ambos os buracos negros inferem-se ter rotações (spins) muito altas ( $\chi_1 \simeq 0.9$ e $\chi_2 \simeq 0.8$ ).
O Dilema: A combinação de massa extrema e spin alto é difícil de explicar.
- A origem por fusões hierárquicas (onde um BN é o remanescente de uma fusão anterior) é improvável, pois esse cenário tende a produzir spins em torno de $\chi \sim 0.7$ , e spins de 0.9 exigiriam um ajuste fino extremo dos parâmetros do sistema progenitor.
- A colapso direto de uma estrela massiva é questionada porque, em modelos padrão, estrelas com massas suficientes para formar um BN de ~137 $M_\odot$ deveriam sofrer explosões de supernova de instabilidade de pares (PISN) ou serem completamente destruídas, não deixando remanescente. Além disso, modelos que incluem transporte eficiente de momento angular (como o dínamo Spruit-Tayler) resultam em BNs com rotação baixa, contradizendo os dados de GW231123.

2. Metodologia

Os autores investigaram se o objeto primário poderia ter se formado pelo colapso direto de uma estrela massiva em rotação, ignorando mecanismos de acoplamento de momento angular que forçariam uma rotação rígida.

Simulações Numéricas: Utilizaram o código de estrutura estelar MESA (versão 15140) para simular núcleos de hélio com massa inicial de 160 $M_\odot$ .
Variação de Parâmetros:
- Rotação: Variaram a taxa de rotação inicial ( $\Omega/\Omega_{crit}$ ) de 0 a 1, permitindo rotação diferencial (o núcleo mantém rotação significativa até o colapso, simulando transporte ineficiente de momento angular).
- Física Nuclear: Variaram a taxa da reação nuclear $^{12}\text{C}(\alpha, \gamma)^{16}\text{O}$ em $\pm 3\sigma$ em torno do valor mediano. Esta reação é crucial para determinar a proporção de carbono/oxigênio e, consequentemente, a massa das supernovas de instabilidade de pares.
Abordagem: O estudo focou no regime de "fraco transporte de momento angular", onde o núcleo retém seu spin, testando se isso pode estabilizar a estrela contra a instabilidade de pares e permitir o colapso direto para um BN massivo e rápido.

3. Principais Contribuições e Resultados

A. Deslocamento da Lacuna de Massa (BHMG)

O resultado mais significativo é que a rotação rápida desloca a lacuna de massa de instabilidade de pares para massas mais altas.

Em estrelas não rotativas, a instabilidade de pares destrói estrelas com núcleos de hélio até ~135 $M_\odot$ .
Com rotação rápida, a força centrífuga fornece suporte extra, reduzindo a temperatura central para uma dada densidade. Isso atrasa ou impede o início da queima explosiva de oxigênio que levaria à desintegração total.
Consequentemente, estrelas com núcleos massivos podem evitar a PISN e colapsar diretamente em buracos negros, mesmo acima do limite superior tradicional da lacuna.

B. Formação de BNs Massivos e Rápidos

As simulações mostram que é possível formar buracos negros com massas $\gtrsim 150 M_\odot$ e spins altos ( $\chi \sim 0.9$ ) através do colapso direto de núcleos estelares rotativos.
Existe uma correlação importante entre massa e spin: estrelas que rotam mais rápido e possuem taxas de reação $^{12}\text{C}(\alpha, \gamma)^{16}\text{O}$ mais altas tendem a evitar a PISN e formar BNs mais massivos e rápidos.
Para explicar o GW231123, a taxa de reação nuclear necessária está dentro de um intervalo realista (do mediano até 3 $\sigma$ acima do mediano), o que é consistente com outras restrições observacionais de ondas gravitacionais.

C. Mecanismo de Fotodesintegração

O estudo sugere que o objeto primário do GW231123 pode ser o primeiro buraco negro observado diretamente formado via colapso de núcleo após a instabilidade de fotodesintegração. Em vez de explodir (PISN), a estrela colapsa diretamente porque a fotodesintegração de núcleos de ferro reduz a pressão de suporte, acelerando o colapso, mas a rotação impede que a estrela seja totalmente destruída antes desse ponto.

4. Significado e Conclusões

Origem Estelar Viável: O trabalho demonstra que, sob condições de transporte ineficiente de momento angular (rotação diferencial), a formação estelar direta é uma explicação plausível para o GW231123, dispensando a necessidade de cenários exóticos como fusões hierárquicas complexas.
Revisão da Lacuna de Massa: Os resultados indicam que a "lacuna de massa" não é uma fronteira rígida. Ela depende fortemente da rotação estelar e das taxas de reação nuclear. Ignorar a rotação pode levar a conclusões errôneas sobre a origem de eventos de ondas gravitacionais massivos.
Implicações para Populações: Para futuras análises de populações de ondas gravitacionais (com dados da O4 e além), é crucial permitir que os modelos estelares acomodem sistemas como o GW231123. Impor um corte rígido na lacuna de massa pode enviesar as inferências para cenários de formação exóticos.
O Secundário: O objeto secundário ( $m_2$ ) pode ter se formado abaixo da lacuna de massa, sugerindo que o evento GW231123 pode "atravessar" a lacuna, com um componente vindo do regime de PISN/colapso direto e o outro do regime de colapso de núcleo padrão.

Em resumo, o artigo fornece a primeira investigação detalhada que combina rotação estelar e incertezas nucleares para mostrar que buracos negros massivos e altamente rotativos podem nascer do colapso direto de estrelas, oferecendo uma solução natural para o enigma do GW231123.