A mais recente fusão de buracos negros identificada pelo LIGO confirma Einstein e desafia a astrofísica

Novos resultados do observatório de ondas gravitacionais sugerem que os buracos negros se movem de maneiras misteriosas.

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Aurore Simonnet, LIGO / Caltech / MIT / Sonoma State.

Artigo traduzido de Scientific American. Autor: Lee Billings.

Cerca de 3 bilhões de anos atrás, quando a Terra era um mundo oceânico espelhado pontilhado com protocontinentes e habitada unicamente por organismos unicelulares, um par de buracos negros começaram a se orbitar e colidiram em uma região distante do universo, deixando para trás um único buraco negro com cerca de 50 massas solares. Não emitindo luz, ele deveria ter permanecido perdido para sempre no vazio.

Em vez disso, a violência invisível dos seus momentos finais da sua fusão foi tão grande que sacudiu o tecido da própria realidade, enviando ondas gravitacionais – ondulações no espaço-tempo – propagadas à velocidade da luz. Nas primeiras horas da manhã de 4 de janeiro de 2017, essas ondas atingiram nossa Terra e o instrumento científico mais preciso já construído, o Observatório de Ondas Gravitacionais (LIGO). Lá, as ondas deslocaram as posições de espelhos isolados a vácuo, refrigerados a laser, em menos do que o raio de uma única partícula subatômica. Viajando a velocidade da luz, as ondas primeiro perturbaram os espelhos do LIGO instalados em Hanford, Wash., antes de passar por um segundo conjunto de espelhos em Livingston, La., cerca de três milissegundos depois. Sincronizados em conjunto dos espelhos móveis de cada estação e convertidos em frequências audíveis, as ondas gravitacionais que fizeram o cosmos vibrar soaram como um “ruído” único e suave. Analisando os dados, os pesquisadores estão buscando detalhes notáveis ​​e inacessíveis sobre a vida escondida dos buracos negros. Anunciado quinta-feira por membros da equipe LIGO, os resultados estão descritos na Physical Review Letters.

Por mais inconcebível que possa parecer, sintonizar tais ruídos agora está se tornando rotina. Previstas por Einstein há mais de um século como consequência de sua teoria da relatividade geral, as ondas gravitacionais foram pensadas para além do alcance observacional – se não inteiramente inexistente. Mas o ruído de 4 de janeiro, apelidado de “GW170104”, é realmente a terceira e mais longa detecção de ondas gravitacionais da LIGO, vindas de cerca de 3 bilhões de anos-luz de distância. Ele segue os ruídos anteriores de outros dois eventos detectados separadamente no final de 2015, provenientes de um pouco mais perto, mas ainda a mais de um bilhão de anos-luz de distância.

Outros fenômenos cósmicos, como as supernovas na Via Láctea e as estrelas de nêutrons colidindo em nossa vizinhança galáctica, também devem produzir ondas gravitacionais detectáveis, cada uma com seus próprios insights revolucionários, mas até agora todas as três detecções de LIGO foram os sinos de morte de pares de buracos negros se fundindo em locais remotos do universo.

Arco-íris Gravitacional?

Por enquanto, milhares de cientistas de todo o mundo estão aproveitando a visão limitada da LIGO e as três detecções confirmadas do projeto. Enquanto a “intensidade” de cada ruído transmitiu claramente a distância de cada evento, as estações gêmeas do LIGO podem, no momento, restringir vagamente suas fontes celestiais, que podem estar em qualquer lugar dentro de grandes faixas dos céus contendo milhares e milhares de grandes galáxias. Os teóricos estão tão sedentos por novas ideias sobre buracos negros e processos relativistas que, em cada detecção do LIGO, os astrônomos observacionais entraram em ação para atingir essas enormes porções do céu, na esperança de ver algum pós-brilho ou outra emissão de radiação eletromagnética – mesmo que, por definição, o buraco negro maior resultante não emita luz.

Felizmente, mesmo sem luz, as ondas gravitacionais da fusão revelam muito. Os membros da equipe do LIGO já examinaram bilhões de anos-luz intergaláticos nos dois primeiros ruídos para procurar sinais de “dispersão” na propagação de ondas gravitacionais – um fenômeno análogo à como os raios de luz que viajam através de um prisma se dispersam com base em seus comprimento de onda para formar um arco-íris. De acordo com a teoria da relatividade geral de Einstein, as ondas gravitacionais não devem ter nenhuma dispersão – e qualquer desvio dessa previsão pode sugerir que o relato relativista de Einstein do universo é de alguma forma incorreto, potencialmente apontando o caminho para novas descobertas na física. Sinais de qualquer dispersão deveriam ter sido óbvios no terceiro evento do LIGO, GW170104, uma vez que suas ondas gravitacionais viajaram por três bilhões de anos-luz, em vez de um bilhão como nos eventos anteriores do LIGO. Mas quando os pesquisadores olharam, viram arco-íris gravitacionais.

“Nós fizemos uma medida muito cuidadosa desse efeito”, disse Bangalore Sathyaprakash, membro da equipe LIGO, da Pennsylvania State University e da Universidade de Cardiff. “Mas não descobrimos nenhuma dispersão, mais uma vez, não conseguimos provar que Einstein estava errado”.

Usando essa mesma medição, os pesquisadores também aprimoraram a massa do gráviton, a partícula hipotética que media a força da gravidade.

“Basicamente, estamos testando a relatividade geral de uma nova maneira”, diz Laura Cadonati, física do Instituto de Tecnologia da Geórgia e porta-voz do LIGO. “O fato deste evento ser duas vezes maior que os dois anteriores nos dá uma linha de base mais longa para testar a relação da dispersão e, como resultado, agora temos um limite na massa do gráviton que é 30% mais restrito que o limite anterior. Pode-se dizer que estamos colocando a relatividade geral em um teste mais e mais rígido – mesmo ainda ela está se provando correta, mas com mais sinais, podemos encontrar algo que discorde dela.”

Fusões Misteriosas de Tamanho Médio

Enquanto o último evento do LIGO pode ser um tijolo no imponente edifício da relatividade geral de Einstein, também está reestruturando os fundamentos da nossa compreensão dos buracos negros. Antes das detecções do LIGO, os astrônomos só tinham observações definitivas de duas variedades de buracos negros: aqueles que se formam a partir de estrelas que se pensava serem superiores a 20 massas solares; e, nos núcleos de grandes galáxias, buracos negros supermassivos de proveniência ainda incerta que contém milhões ou bilhões de vezes a massa do Sol. Acredita-se que ambos sejam importantes para a compreensão da formação e evolução das galáxias e, portanto, até certo ponto, importantes para a formação e evolução de tudo o que as galáxias contêm, incluindo estrelas, planetas e pessoas. A maioria dos buracos negros nas fusões do LIGO têm tamanhos médios, sendo mais pesados do que o limite de massa solar 20, mas muito mais leves do que a variedade supermassiva, levantando questões sobre suas origens e relacionamento com as duas populações bem estudadas de buracos negros.

A explicação predominante para os buracos negros massivos do LIGO é que eles se formam de estrelas muito massivas que também são bastante antigas, compostas quase inteiramente de hidrogênio e hélio com quase nenhum elemento mais pesado. A maioria das estrelas com esse tamanho teria elementos mais pesados, fazendo com que eles perdessem grande parte de sua massa através de ventos de alta velocidade, enquanto que as estrelas de “baixa metalicidade” teriam ventos mais fracos e manteriam mais seus elementos visíveis, colapsando para se tornarem buracos negros maiores que os de estrelas comuns.

Para fazer os pares de buracos negros se fundindo do LIGO, segundo uma teoria convencional, exigiria a “evolução binária” de duas estrelas massivas e de baixa metalicidade que se formam como um par. Se, por exemplo, as duas estrelas estão muito próximas, ao longo dos cursos de suas vidas elas podem trocar o gás de suas atmosferas de um lado para o outro em um processo cíclico que puxa suas órbitas para ainda mais perto e, eventualmente, produz dois buracos negros de grande porte em uma órbita forte. No final deste processo, as rotações e as órbitas de ambos os buracos negros ficariam inextricavelmente ligadas, de modo que o equador de cada buraco negro seria alinhado com o plano de sua órbita compartilhada.

“Pense em buracos negros como sendo furacões que arrastam as estrelas e a matéria em torno delas”, explica Cadonati. “Agora pense em dois que se orbitam, cada um girando no sentido horário ou anti-horário”, alinhado com o movimento orbital. Dois buracos negros com tal alinhamento possuiriam mais energia rotacional do que um par não alinhado e, portanto, exigem um tempo cada vez maior para se unir nos últimos momentos de sua fusão. O mistério mais profundo do GW170104, a última descoberta do LIGO, é que a fusão aconteceu muito rapidamente para que ambos os buracos negros progenitores estivessem tão alinhados; Em termos de analogia de Cadonati, pelo menos um dos “tornados” em órbita deve ter sido paradoxalmente inclinado.

A explicação mais comum para os pares de buracos negros com tal “desalinhamento de rotação” é que eles não se formaram a partir da evolução binária de estrelas gêmeas isoladas. Em vez disso, cada buraco negro deve ter se formado de forma independente, e de alguma forma encontrou seu parceiro depois de milhões ou bilhões de anos vagando pelo universo. Qualquer eventual união através deste canal de “formação dinâmica” provavelmente ocorreria em enxames espessos de estrelas chamados de aglomerados globulares, diz Fred Rasio, físico da Northwestern University em Chicago, que não é membro da colaboração LIGO. “Imagine lançar mil buracos negros em um mosh pit onde eles se chutam como loucos”, diz Rasio. “Suas rotações serão aleatórias. A dinâmica não se importa de que maneira os buracos estão girando, então, quando eles estão ligados a um par que se funde, suas rotações não têm correlação com a forma como eles orbitam.”

Buracos Negros do Big Bang?

De acordo com alguns teóricos, a melhor explicação para o curioso desalinhamento do GW170104 é que seus buracos negros não começaram como estrelas. “Mesmo em densos agrupamentos globulares, esses buracos negros não se formariam em densidade suficiente para encontrar-se na era do universo”, diz Juan García-Bellido, professor da Universidade Autônoma de Madri, que não é membro da colaboração LIGO. García-Bellido é um dos principais defensores da ideia pouco ortodoxa de que os buracos negros anormalmente pesados ​​e estranhamente desalinhados do LIGO são realmente parte de uma população de “buracos negros primordiais”. Em vez de surgir de estrelas, esses objetos exóticos poderiam ter surgido nos primeiros momentos após o Big Bang, agrupando-se em regiões particularmente densas da neblina plasmática que impregnou o universo. Se agrupados em aglomerados, os buracos negros primordiais também poderiam formar pares de fusão com rotações desalinhadas.

Há, no entanto, uma dobra adicional para atribuir origens primordiais a alguns ou a todos os buracos negros observados pelo LIGO – algo que pode ser visto como a característica mais sedutora da teoria, ou um erro desagradável. Os aglomerados de buracos negros primordiais suficientemente densos para produzir a nova população de fusões do LIGO, García-Bellido e outros, também podem ser uma solução natural para o mistério da matéria escura – a matéria invisível que constitui 80% da matéria do universo e que os astrônomos veem unicamente através de seus efeitos gravitacionais sobre estrelas e gás em galáxias.

“A ideia seria que [os buracos negros primordiais] estivessem concentrados em halos em torno da matéria que podemos ver”, disse Michael Landry, chefe da estação Hanford do LIGO, resumindo o conceito especulativo em resposta a uma pergunta em recente conferência de imprensa. “Não é impossível que o que estamos vendo são buracos negros primordiais que formam a matéria escura”. Por outro lado, acrescentou Landry, algumas equipes de astrônomos ocasionalmente procurando por halos de buracos negros primordiais em torno da Via Láctea ainda não encontraram evidências. Eles existem em números suficientes para explicar os efeitos da matéria escura. Se os buracos negros do Big Bang explicam a matéria escura – sem mencionar os resultados do LIGO – é uma “questão aberta”, disse Landry.

Ouvindo a Sinfonia do Buraco Negro

Seja nascido da evolução binária, do emparelhamento dinâmico, do Big Bang ou de outra coisa, as origens verdadeiras das misteriosas fusões de buracos negros do LIGO logo poderiam ser reveladas. O melhor palpite da colaboração é que, entre 12 e 213 de tais fusões ocorrem cada ano em um volume cúbico de espaço um pouco mais de 3 bilhões de anos-luz de lado. Isso sugere que o LIGO – que está no meio de atualizações para impulsionar sua sensibilidade e planejando uma nova estação na Índia – poderia eventualmente detectar os ruídos das fusões de buracos negros a uma taxa entre uma vez por dia a uma vez por semana. Atualizações também estão em andamento para o Virgo, um observatório de ondas gravitacionais complementares que se aproxima da sensibilidade do LIGO. Já neste verão, ambos os projetos monitorarão simultaneamente o céu para melhor localizar as origens de qualquer nova onda gravitacional celestial. Além do LIGO e do Virgo, observatórios adicionais provavelmente irão estrear nos próximos anos em todo o mundo, criando uma rede mundial para buscas de ondas gravitacionais. Nos anos 2020, os ruídos serão detectados tão rapidamente, vindos de tantos pares de buracos negros, que seus sons poderiam formar uma sinfonia.

“Não é um ou dois binários de buracos negros pelos quais podemos distinguir entre diferentes modelos”, disse Sathyaprakash. “Será uma população de detecções que nos dará distribuições para rotações e para massas. É aí que as diferenças entre os mecanismos de formação se tornarão claras.” Os pares de buracos negros muito pesados ​​e desalinhados podem ser muito raros, reforçando o fato de que a maioria das fusões vem de sistemas isolados de estrelas binárias – ou podem ser comuns, sugerindo origens mais densas e mais dinâmicas. E se, como García-Bellido diz, qualquer buraco negro em uma fusão se provar pesar menos do que o nosso Sol, esta seria uma “arma fumegante” para buracos negros primordiais, pois tais buracos negros relativamente minúsculos são pensados ​​impossíveis de se formar das estrelas.

“Antes da nossa descoberta, nem sequer sabíamos com certeza se estes [buracos negros] de tamanho médio existiam”, disse Cadonati na conferência de imprensa anunciando o GW170104. “O que sabemos agora é, antes de tudo, eles existem, eles podem ter desempenhado um papel importante no universo inicial, e agora estamos começando a ter um vislumbre de como eles se comportaram… Isso realmente abriu uma nova janela no universo, e estamos aprendendo mais de onde viemos. Isso é muito emocionante.”

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