A mais recente colisão de buracos negros veio com uma torção

A terceira detecção do Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro a Laser agrava ainda mais o mistério do porquê de os buracos negros colidirem.

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Ilustração da fusão de um par de buraco negro recém-detectada, cujo sinal de onda gravitacional sugere que pelo menos um dos buracos negros estava desalinhado com seu movimento orbital antes de se fundir com seu parceiro. Crédito: LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonne

Por Natalie Wolchover
Publicado no Quanta Magazine

Novamente, uma rajada de ondas gravitacionais provenientes da colisão distante de um par de buracos negros fez cócegas nos instrumentos do LIGO – Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, trazendo a contagem de detecções definitivas de ondas gravitacionais para três até o momento. O novo sinal, detectado em janeiro e publicado hoje na Physical Review Letters, aprofunda o enigma de como os buracos negros chegam a se colidirem.

Antes do outono de 2015, quando o experimento LIGO foi ligado, detectando quase imediatamente ondas gravitacionais geradas da fusão de buracos negros, ninguém sabia se seria possível ver a fusão de buracos negros, fusão de estrelas de nêutrons, buracos negros que se fundiam com estrelas de nêutrons ou nenhum desses casos. Como Albert Einstein imaginou a um século atrás, são necessários pares de objetos densos e de órbita forte para gerar ondas no tecido do espaço-tempo ou ondas gravitacionais. Mas os três sinais achados pela LIGO até agora vieram da fusão de buracos negros, sugerindo que pares destes objetos invisíveis ultradensos são abundantes no universo.

Desde então, os astrônomos têm lutado poderosamente para entender como buracos negros (que, em sua maior parte, são remanescentes de estrelas colapsadas) podem acabar tão perto um do outro, sem terem estado perto o suficiente para se fundir durante suas vidas estelares. É um enigma que forçou os especialistas a repensar muitos aspectos sobre as estrelas.

Agora, eles terão que pensar ainda mais.

Créditos: Lucy Reading-Ikkanda para a Quanta Magazine.

A estimativa da equipe LIGO para a abundância de fusões de buracos negros no universo, com base em suas duas primeiras detecções, favoreceu um dos dois cenários concorrentes sobre como as estrelas podem acabar colidindo como buracos negros: os cenários “envelope comum” e “quimicamente homogêneo” envolvem pares de estrelas maciças que se formam próximas umas das outras, caem gravitacionalmente em buracos negros e colidem. Os métodos são diferem em seus detalhes, mas também é teoricamente capaz de produzir suficientes fusões de buracos negros para os relatos dos sinais do Advanced-LIGO. Os cientistas pensam que é provável que um cenário seja dominante no universo e responda por quase todos os eventos observados, já que seria estranho que vários cenários produzam números iguais de eventos em um saldo bem ajustado.

Enquanto isso, a alta taxa de fusões desfavoreceu um terceiro cenário chamado “formação dinâmica”, que tem os buracos negros se formando distantes uns dos outros dentro de um denso aglomerado estelar. De acordo com essa hipótese, ao longo do tempo, os buracos negros afundam para o centro do aglomerado, perturbando as órbitas uns dos outros de maneiras complicadas e, ocasionalmente, entrando órbitas suficientemente apertadas para acabarem colidindo. Considerando a relativa raridade de aglomerados estelares e colisões dinâmicas, a taxa esperada associada a esse cenário pareceu muito baixa para explicar os dados do Advanced-LIGO.

É aí que entra o novo sinal de onda gravitacional. Originou-se de buracos negros com massa de 31 vezes e 19 vezes a massa do sol e que se fundiram a cerca de 3 bilhões de anos-luz de distância. O sinal também indica que pelo menos um dos buracos negros pode ter girado em uma direção que não estava alinhada com o eixo de rotação comum do par. Os buracos negros que se formam e evoluem a partir de um par de estrelas próximas — como nos cenários “envelope comum” e “quimicamente homogêneos” — girariam na mesma direção que seu eixo comum, de modo que as rotações desalinhadas desfavoreceriam esses cenários e favorece, a formação dinâmica em um “cluster” (aglomerado) estelar, que não requer nenhuma conexão entre as rotações dos buracos negros.

A medida de rotação é difícil de fazer e traz alguma incerteza — e é dentro da margem de erro que os buracos negros detectados agora não estavam girando. “Precisamos de mais eventos para poder dissociar estatisticamente o que está acontecendo”, disse Daniel Holz, um membro do LIGO e astrofísico da Universidade de Chicago que trabalhou no cenário do envelope comum. “Se descobrir que existe um suporte significativo para rotações altas e desalinhadas, então nós realmente enfrentamos um enigma”, disse ele. “O modelo de cluster seria favorecido, mas não está certo que ele produza as taxas que estamos vendo”.

Duncan Brown, um membro do LIGO e professor de física da Universidade de Syracuse, Nova Iorque, Estados Unidos, disse à Quanta Magazine que talvez seja possível depois de tudo isso que vários cenários produzam fusões de buraco negro. Mas ele está esperando por mais estatísticas. “À medida que a sensibilidade do LIGO melhora — ainda estamos com um fator de três longe da sensibilidade de projeto — e à medida que vemos mais sinais de fusão de buracos negros, teremos uma compreensão muito melhor das rotações da população de buracos negros. O novo sinal contém sugestões de algo interessante, mas agora estou ansioso pelas futuras detecções antes de fazer uma conexão”.

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